Obudowy głośnikowe - Inne rodzaje obudów

OBUDOWA Z OTWOREM STRATNYM

Pamiętamy (mam nadzieję), jakie zalety, a także wady miała obudowa z otworem, czyli bass-reflex. Uzyskaliśmy obniżenie częstotliwości rezonansowej, a co za tym idzie częstotliwości 3-decybelowego spadku charakterystyki oraz wzmocnienie przetwarzania dolnej części pasma, bez wprowadzania nieprzyjemnych dla ucha zniekształceń nielinearnych. Kłopot polega na odpowiednim zaprojektowaniu i wykonaniu kanału lub kanałów w obudowie. W przypadku obudowy z otworem stratnym mamy też do czynienia z „paczką”, w której został wycięty otwór lub otwory, są one jednak zasłonięte warstwą materiału o dużej stratności akustycznej, umieszczoną pomiędzy metalowymi lub wykonanymi z tworzywa sztucznego siatkami. Siatki te dość ściśle przylegają do siebie, ściskając materiał. Dzięki temu zapobiegamy „falowaniu” warstwy materiału przy zmianach ciśnienia akustycznego promieniowanego przez ten otwór. Pytanie: w czym lepszy jest ten typ obudowy od klasycznego „bass-refleksu”?

Z założenia obudowa z otworem stratnym miała być kompilacją zalet obudowy z otworem i obudowy zamkniętej. Po części faktycznie tak jest. Dzięki zasłonięciu otworu materiałem wprowadzamy straty energii, co powoduje dodatkowe tłumienie drgań akustycznych membrany. Dlatego rezonans głośnika jest o wiele mniej uwydatniony, niż w obudowie bass- -reflex (rysunek 1). Ponadto częstotliwość rezonansowa całego urządzenia (a więc i częstotliwość dolna pasma przenoszenia), choć leży nieco wyżej, niż w obudowie z otworem niezasłoniętym, to jednak jest znacznie niższa, niż w obudowie zamkniętej. Poza tym można skonstruować obudowę z otworem stratnym parametrami zbliżoną do obudowy bass-reflex, ale o mniejszych wymiarach.

Problem polega na odpowiednim doborze materiału zasłaniającego otwór: rodzaju i grubości (co wpływa na jego rezystancję akustyczną). Obliczanie tego analitycznie jest wielce skomplikowane, dlatego gdyby ktoś przymierzał się do skonstruowania urządzenia z otworem stratnym, najlepiej przygotować kilka takich „zasłon” i drogą eksperymentalną wybrać jedną odpowiednią dla naszych potrzeb. Odpada nam tu również konieczność stosowania kanałów, gdyż w tym przypadku wystarczy wyciąć zwykły otwór i wstawić w niego naszą „przesłonę”. Dobierając odpowiednio parametry przesłony możemy, w zależności czy będzie ona bardziej, czy mniej tłumiąca, zbliżyć się właściwościami do obudowy zamkniętej lub obudowy z otworem niezasłoniętym.

OBUDOWA Z MEMBRANĄ BIERNĄ

Jest kolejną modyfikacją obudowy bass-reflex. W przypadku obudowy z otworem „elementem” drgającym i promieniującym energię w otworze (dokładniej – w kanale) jest masa powietrza. Aby uprościć procedury projektowania (doboru długości i średnicy w celu osiągnięcia oczekiwanej masy powietrza), jako element drgający w otworze można zastosować membranę bierną. W zasadzie jest to „twór” zbliżony wyglądem do głośnika, a od niego różni się tym, że nie ma magnesu i cewki. Natomiast mamy kosz, do którego, za pomocą zawieszeń, jest przymocowana membrana, identycznie jak w zwyczajnym głośniku (rysunek 2). Również wymiary takiego urządzenia są identyczne, jak w przypadku głośnika pracującego tuż obok. Ponieważ brak jest cewki, aby skompensować ten niedobór masy stosuje się grubsze membrany.

Zasadniczą różnicą pomiędzy obudową z membraną bierną a obudową z otworem jest istnienie podatności zawieszenia membrany biernej, nie występującej w obudowie z otworem.

Urządzenia głośnikowe budowane na bazie obudowy z membraną bierną mają na charakterystyce częstotliwościowej (amplitudowej) spadek przy częstotliwości rezonansowej membrany biernej. Dlatego też częstotliwość rezonansową membrany biernej wybiera się tak, aby znajdowała się poniżej pasma przepustowego całego urządzenia głośnikowego. Spadek przy częstotliwości rezonansowej membrany biernej uwidacznia się wtedy w postaci większego nachylenia charakterystyki w porównaniu do charakterystyki częstotliwościowej głośnika w obudowie z otworem. Natomiast odtwarzanie stanów nieustalonych, czyli odpowiedź urządzenia głośnikowego na pojedynczy impuls, jest uzależnione w znaczniej mierze od współczynnika podatności. Z kolei na wartość tego współczynnika ma wpływ zarówno wielkość obudowy, jak i podatność zawieszenia membrany biernej. Współczynnik ten jest tym większy, im większa jest wartość podatności zawieszenia oraz im mniejsza wartość podatności obudowy (mniejsza obudowa). Duża wartość współczynnika podatności powoduje, iż czas ustalenia się odpowiedzi jest krótszy. Również im większa wartość tego współczynnika, tym większa sprawność całego urządzenia. Oznacza to, że powinno się projektować urządzenia głośnikowe z membraną bierną o jak największych podatnościach zawieszeń.

W przypadku urządzenia z membraną bierną uzyskujemy też zmniejszenie wychylenia membrany głośnika przy najmniejszych częstotliwościach, dzięki czemu pracujemy w zakresie liniowej pracy głośnika. Znaczne zmniejszenie tych wychyleń w stosunku do urządzenia bass-reflex można jeszcze osiągnąć zmniejszając wartość współczynnika podatności, ale to, jak już wiemy, niekorzystnie odbije się na sprawności oraz odtwarzaniu stanów nieustalonych.

Membrana bierna, podobnie jak otwór w obudowach bass-reflex, musi spełniać określone wymagania. Chodzi tu głównie o odpowiednią masę akustyczną, tworzącą wraz z podatnością akustyczną obudowy wymaganą częstotliwość rezonansową obudowy fb. Jak już wspomniałem, wymaga się, aby podatność zawieszeń membrany była jak największa, za to membrana bierna ma w porównaniu z otworem znaczący plus. Otóż aby zmienić nieco wartość masy akustycznej wystarczy obciążyć ją metalowym krążkiem przyklejonym w środku membrany (w przypadku otworu musielibyśmy zmieniać długość kanału lub, nie daj Boże, średnicę).

Zazwyczaj powierzchnia membrany biernej jest równa powierzchni głośnika, co wynika z tego, że membrany bierne są mocowane w takich samych koszach, co membrany głośników, i mają takie same zawieszenia. Membrany o większej powierzchni są rzadko stosowane, choćby ze względu na konieczność zwiększenia wymiarów obudowy. Mniejsze membrany nie mają racji bytu, gdyż wymagane wychylenie objętościowe membran biernych jest dość znaczne. Zastosowanie małej powierzchni membrany stwarzałoby konieczność uzyskania dużych wychyleń liniowych membrany biernej. Membrana bierna musi być zaprojektowana tak, aby nie zmniejszać mocy. Wymaga to, aby wychylenie objętościowe membrany biernej było kilkakrotnie większe, niż wychylenie membrany głośnika. Oznacza to, że w niektórych przypadkach może być konieczne zastosowanie innego rozwiązania zawieszenia membrany biernej, w przeciwnym razie nastąpi zmniejszenie mocy akustycznej urządzenia głośnikowego.

OBUDOWA LABIRYNTOWA

Tą ciekawą nazwą określa się typ obudowy, w której do uzyskania przesunięcia o 180° między obiema stronami membrany wykorzystano akustyczny tor półfalowy. Cóż to takiego jest? Otóż jest to w zasadzie rura zamknięta głośnikiem z jednej strony, a otwarta z drugiej. Gdy głośnik drga z odpowiednią częstotliwością, taką że wzdłuż rury odkłada się pół długości fali, wtedy rura ta staje się torem półfalowym, a emitowane przez przód membrany i otwór na końcu toru dźwięki są zgodne w fazie. Oczywiście zjawisko to będzie występowało tylko przy jednej częstotliwości, przy innych częstotliwościach fazy nie będą zgodne i mogą wystąpić interferencje. Ponieważ, dla przykładu, dla częstotliwości 60 Hz długość takiej rury musiałaby wynosić 2,8 m, więc „zawija” się ją, tworząc wewnątrz obudowy labirynt (rysunek 3).

Przy częstotliwości, dla której tor będzie ćwierćfalowy (odkłada się 0,25 długości fali) rezystancja obciążenia membrany osiąga maksimum i otwór promieniuje najsilniej. I choć fale promieniowane przez głośnik i otwór są w przeciwfazie, to jednak moc wypromieniowana bezpośrednio przez membranę stanowi tylko część mocy wypromieniowanej przez labirynt. Dlatego też istniejąca niezgodność fazy jest nieszkodliwa. Ogólna moc wypromieniowana wzrasta przy zmniejszonych jednocześnie zniekształceniach nielinearnych. Aby uniknąć szkodliwych zjawisk rezonansów i antyrezonansów tor musi mieć dostatecznie duże tłumienie. Osiąga się to poprzez wyłożenie wnętrza labiryntu materiałem dźwiękochłonnym, tak jak to pokazuje rysunek 3.

Odmianą obudowy labiryntowej jest obudowa realizująca zasadę długiego toru akustycznego (dla ciekawostki z niem. Box nach dem Prinzip der Űbertragungsleitung). Jest to długi, stratny tor akustyczny w kształcie labiryntu (jak w obudowie labiryntowej). Tylko że w tym przypadku labirynt jest wypełniony dość luźno ułożonym materiałem stratnym. To powoduje, że fala promieniowana przez tył membrany jest stopniowo pochłaniana, dzięki czemu nie występują odbicia i fale stojące. W praktyce przy bardzo małych częstotliwościach wylot kanału słabo promieniuje. Nie wpływa to jednak w istotny sposób na działanie zestawu, gdyż źródłem skutecznego promieniowania jest przód membrany.

Jaka w związku z tym jest różnica pomiędzy tego typu obudową a obudową zamkniętą? Różnica ta polega na odmiennych warunkach pracy głośnika. W przypadku obudowy realizującej zasadę długiego toru akustycznego głośnik pracuje jakby w dwóch strefach akustycznych. Nie występuje tu efekt pneumatycznego zawieszenia membrany, co ma miejsce w obudowie zamkniętej z uwagi na szczelne zamknięcie tylnej części membrany. Dzięki temu nie musimy martwić się znacznym zwiększeniem częstotliwości rezonansowej membrany, co niestety jest minusem obudowy zamkniętej. Natomiast w tym przypadku uzyskujemy jeszcze zmniejszenie tej częstotliwości z powodu zwiększenia masy współdrgającej wnoszonej przez materiał wypełniający. Nie występują również zjawiska rezonansowe, charakterystyczne dla obudowy z otworem i klasycznej obudowy labiryntowej (rysunek 4). Jest to więc obudowa skutecznie oddzielająca przednią i tylną stroną membrany.

OBUDOWA TUBOWA

której nie należy mylić z głośnikiem tubowym, czyli napędem (pędnikiem) współpracującym z tubą promieniującą fale. Jeśli natomiast tor akustyczny w obudowie labiryntowej wykonamy tak, aby jego przekrój zwiększał się stopniowo w kierunku wylotu, a jego ścianek nie pokryjemy materiałem dźwiękochłonnym, to otrzymamy w ten sposób obudowę tubową. Zapewnia ona dobre odtwarzanie małych częstotliwości, lecz ze względu na interferencje, jakie powstawałyby przy większych częstotliwościach między falami wypromieniowanymi bezpośrednio i przez tubę, zakres częstotliwości przenoszonych przez tubę należy ograniczyć od góry. Wykonuje się to dodając między membraną głośnika a wylotem tuby przestrzeń charakteryzującą się podatnością Cmo. Podatność ta musi być tak dobrana, aby tłumienie wprowadzone przez nią powyżej określonej częstotliwości było wystarczające do uniknięcia interferencji. Na rysunku 5 przedstawiono charakterystykę poziomu ciśnienia akustycznego wytworzonego przez głośnik stożkowy w obudowie tubowej. Linią kropkowaną zaznaczono charakterystykę pochodzącą od części tubowej, linią przerywaną od strony otwartej, zaś linią ciągłą sumaryczną charakterystykę całego urządzenia. Widać, że uzyskujemy poszerzenie pasma w dół z ok. 150 Hz do ok. 40 Hz. Aby uniknąć szkodliwych interferencji zakres dźwięków promieniowanych przez tubę ograniczono do 150 Hz.

 

OBUDOWA PASMOWO-PRZEPUSTOWA

z angielska zwana też bandpass. Tego typu obudowy stosuje się wyłącznie do budowy subwooferów, a to z tego powodu, iż charakterystyka tak otrzymanego zestawu głośnikowego jest stosunkowo wąska i umiejscowiona generalnie w dolnym zakresie pasma częstotliwości słyszalnych. O co chodzi w tej obudowie?

Otóż nie bez powodu jej nazwa nawiązuje do nazewnictwa filtrów, jest ona bowiem tak naprawdę akustycznym filtrem pasmowo- przepustowym. Z zewnątrz widać tylko otwory kanału (lub kanałów) bass-reflex, bowiem głośnik (lub głośniki) jest zamontowany w jej wnętrzu, w przegrodzie, która dzieli obudowę na dwie komory – jedną szczelnie zamkniętą, a drugą z wyprowadzonym kanałem bass-reflex. W ten sposób jedna strona membrany pracuje tak, jak w obudowie zamkniętej, zaś druga – w odbudowie z otworem. Z tym że w tym przypadku, inaczej niż w tradycyjnej obudowie bass-reflex, to przednia część membrany pracuje w obudowie z otworem, zaś tylna jak w tradycyjnej obudowie zamkniętej. Co uzyskujemy w ten sposób?

Po pierwsze energia promieniowana jest skoncentrowana w dość wąskim paśmie częstotliwości, w jakim pracuje subbas w obudowie pasmowo-przepustowej (częstotliwość górna, w zależności od wielkości obudowy, przeważnie zawiera się w granicach 80-150 Hz). Ponadto dzięki temu, że głośnik z jednej strony (komora zamknięta) jest obciążany dużą impedancją akustyczną, wychylenia głośnika – nawet przy dostarczeniu doń dużej mocy – będą ograniczone, co z jednej strony chroni go przed mechanicznym uszkodzeniem zawieszenia, a z drugiej zapewnia stosunkowo niewielkie zniekształcenia nielinearne. Należy jednak zwrócić uwagę na szczelność oraz sztywność takiej konstrukcji, bowiem przy stosunkowo niewielkich rozmiarach zestawów typu bandpass w ich obudowie powstają ogromne ciśnienia.

Opisany powyżej układ – komora zamknięta- komora z otworem – tworzy typ obudowy pasmowo-przepustowej IV rzędu. Jeśli natomiast kanał bass-reflex pojawi się również w drugiej komorze, tej która „do tej pory” była komorą szczelnie zamkniętą, uzyskamy typ obudowy pasmowo przepustowej VI rzędu (rysunek 6). Pamiętając – mam nadzieję – teorię filtrów od razu powinniśmy „wyczuć” różnicę między nimi (oprócz kwestii samej budowy), albowiem zgodnie z ową teorią filtr IV rzędu charakteryzuje się nachyleniem zboczy równym 24 dB/oktawę, zaś rzędu VI – 36 dB/oktawę. Tak też mniej więcej będą wyglądały charakterystyki przenoszenia tych zestawów, a konkretnie ich części graniczne.

W przypadku obudowy pasmowo-przepustowej VI rzędu ważne jest, aby otwory bass-reflex były nastrojone na różne częstotliwości, gdyż w przeciwnym przypadku ciśnienie z otworów będzie się znosiło (jak pamiętamy tył membrany promieniuje sygnał akustyczny będący w przeciwfazie w stosunku do promieniowanego przez przód membrany).

KOLUMNY GŁOŚNIKOWE

Zajmiemy się teraz definicyjnymi kolumnami głośnikowymi, czyli urządzeniami głośnikowymi składającymi się z kilku jednakowych głośników, umocowanych w linii prostej (najczęściej w pionie), w jednakowych od siebie odległościach na wspólnej odgrodzie i, oczywiście, we wspólnej obudowie (rysunek 7). Kolumny głośnikowe tworzą tzw. źródło liniowe (oczywiście nieidealne), mające ciekawe właściwości. Charakterystyka kolumny w płaszczyźnie poziomej odpowiada charakterystyce zwykłego głośnika, natomiast w płaszczyźnie pionowej jest bliska charakterystyce źródła liniowego. Oznacza to, że w pionie następuje znaczne zawężenie charakterystyki kierunkowej, dzięki czemu mamy do czynienia z tzw. zyskiem kierunkowości. Zysk kierunkowości sprawia, że w kolumnie głośnikowej następuje wzrost skuteczności mocowej pojedynczego głośnika. Im kolumna jest dłuższa, czyli im więcej głośników wchodzi w skład urządzenia, tym jego właściwości jako źródła liniowego są bardziej zarysowane.

Idealne źródło liniowe charakteryzuje się tym, że spadek poziomu ciśnienia dźwięku w zależności od odległości od źródła wynosi 3 dB/podwojenie odległości (w przeciwieństwie do źródła punktowego, dla którego zależność ta wynosi 6 dB/podwojenie odległości). Oznacza to, że o ile dla pojedynczego głośnika (źródło punktowe) „grającego” z poziomem 90 dB w odl. 1 m natężenie dźwięku w odl. 8 m będzie wynosił 72 dB, o tyle dla kolumny np. 8-mio głośnikowej, „grającej” z tym samym poziomem, natężenie dźwięku w odl. 8 m wyniesie 81 dB (oczywiście znów czysto teoretycznie). Dzięki temu możemy stosować mniejsze moce do zasilania kolumny, uzyskując zadowalające natężenia dźwięku w nawet dość znacznych odległościach od źródeł dźwięku. Poza tym kolumny głośnikowe charakteryzują się o wiele większą sprawnością od pojedynczego głośnika, która dla kolumn może wynosić nawet 10% (przypomnijmy, pojedynczy głośnik ma sprawność w okolicy 1%).

Trzecią zaletą kolumn jest ich zmniejszona wrażliwość na sprzężenia elektroakustyczne, co wynika z zawężonej charakterystyki kierunkowości. W związku z tymi zaletami kolumny głośnikowe szczególnie dobrze naddają się do nadźwiękowiania szerokich przestrzeni, jak place, audytoria czy kościoły. Wytwarza się również kolumny głośnikowe odporne na wpływy atmosferyczne, przeznaczone do nagłaśniania przestrzeni otwartych, jak stadiony, place, ulice. Są to kolumny o długościach 120 do 160 cm i mocach 40 do 60 W.

Piotr Sadłoń

---

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