Głośniki tubowe - budowa i zasada działania

Idea powstania głośnika tubowego zrodziła się z potrzeby uzyskania przetwornika elektroakustycznego o sprawności większej niż głośnika otwartego, która waha się w granicach 3-5%, co nie jest osiągnięciem nazbyt oszałamiającym. Bierze się to stąd, że przy głośniku otwartym nie jesteśmy w stanie dostarczyć odpowiednio dużego obciążenia przetwornika po stronie mechanicznej, czyli obciążyć jego membrany. Aby to osiągnąć musielibyśmy znacznie powiększyć rozmiary membrany, a to niesie za sobą zwiększenie jej masy, co ostatecznie spowoduje nie wzrost a spadek sprawności, szczególnie w zakresie wysokich częstotliwości.

Dlatego wykorzystuje się "patent" często stosowany w energetyce, czyli urządzenie, które będzie transformować małą impedancję mechaniczną powietrza na dużą impedancję na powierzchni membrany. Takim transformatorem akustycznym jest tuba.

Wiemy więc już, że głośnik tubowy składa się z dwóch zasadniczych elementów, czyli "jednostki napędowej", tj. drivera i tuby. Rozpatrzymy kolejno oba te elementy, choć, jak pamiętamy, występują one ze sobą w ścisłej "komitywie".

NAPĘD

Driver głośnika tubowego jest, tak samo jak głośnik stożkowy, przetwornikiem magnetoelektrycznym, czyli składa się z magnesu trwałego, cewki poruszającej się w jego polu i membrany wraz z zawieszeniem. Przykład konstrukcji takiego przetwornika pokazuje rysunek 1.

Różnica między tymi przetwornikami tkwi głównie w kształcie i wykonaniu membrany. Cewka drgająca, nawinięta walcowo, jest przymocowana do lekkiej membrany aluminiowej (lub z innego sztywnego materiału) o kształcie zapewniającej jej dużą sztywność. Przykładowe kształty membran spotykane w głośnikach tubowych przedstawia rysunek 2.

Często stosowane są membrany w kształcie czaszy kulistej, ale w głośnikach z tubą o szerokim wlocie stosuje się membrany takie, jak w głośniku stożkowym. Z materiałów, oprócz aluminium, stosuje się tworzywa sztuczne, papier, fibrę, kevlar. Membrana jest przeważnie niewielka, jej cześć przybrzeżna zaopatrzona jest w niewielkie wytłoczenia stanowiące zawieszenie. Cewka drgająca jest wykonana zazwyczaj bezszkieletowo i nie ma własnego zawieszenia (jak to ma miejsce w głośnikach stożkowych).

Średnicę cewki wybiera się więc tak, aby zamocowanie jej wypadło w pobliżu zawieszenia membrany (jak np. na rysunku 2c, d i e). Cewkę nawija się drutem okrągłym, rzadziej kwadratowym lub taśmą. Zwoje są spojone ze sobą i z membraną specjalnymi klejami. Dla lepszego chłodzenia i odprowadzania ciepła stosuje się cewki chłodzone odpowiednią cieczą o właściwościach paramagnetycznych.

Do "wyprodukowania" odpowiednio silnego pola magnetycznego stosuje się obecnie wyłącznie magnesy trwałe, często - aby zmniejszyć wagę przetwornika - neodymowe. Z uwagi na małą wielkość membrany w celu otrzymania dużej sprawności indukcja w szczelinie musi mieć większą wartość, niż w głośnikach stożkowych i wynosi średnio 1,5-2,3 T. Ponieważ przy tak dużych indukcjach nabiegunniki z miękkiego żelaza nasycałyby się, przy indukcjach większych niż 2 T stosuje się nabiegunniki ze specjalnego stopu zwanego PERMANDUR, złożonego z 50% żelaza i 50% kobaltu (ale to już tak zupełnie jako ciekawostka).

KOMORA SPRZĘGAJĄCA

W głośniku tubowym mamy do czynienia (jak już pisałem) z dwoma elementami: driverem i tubą. Aby te dwa elementy mogły ze sobą współpracować potrzebny jest pewien element sprzęgający je ze sobą. Dlatego między membraną a wlotem tuby znajduje się komora sprzęgająca. Jest ona niezbędna w związku ze znaczną różnicą między powierzchnią wlotu tuby a powierzchnią membrany.

Gdyby komora sprzęgająca była ukształtowana w najprostszy sposób (np. tak jak na rysunku 3), to przy częstotliwości odpowiadającej długości fali równej promieniowi membrany wypadkowe ciśnienie akustyczne u wlotu tuby, pochodzące od ciśnień fal wytworzonych przez różne punkty membrany, byłyby równe zeru. Fale po prostu znosiłyby się, ponieważ przychodziłyby z różnymi fazami. Żeby uniknąć tego zjawiska stosuje się

KOREKTOR FAZY

Najprostszy korektor fazy pokazany jest na rysunku 2c. Wlot tuby ma kształt pierścieniowy, dzięki wprowadzeniu stożkowej wkładki, czyli naszego korektora fazy. Taka konstrukcja zmniejsza do połowy odległość między dowolnym punktem membrany a wlotem tuby, a więc zmniejsza również do połowy przesunięcie fazy między falami składowymi wytworzonymi przez membranę.

TUBY

Zgodnie z obowiązującą definicją: tubą nazywa się rurę, której przekrój zmienia się w regularny sposób. Jak już wiemy, tuba umożliwia dopasowanie dowolnej impedancji akustycznej źródła dźwięku do impedancji przestrzeni, skutkiem czego jest zwiększenie się wypromieniowanej mocy akustycznej. Ponadto tuba ma wybitne zdolności kierunkowe (co może być jej zaletą, ale też i wadą). Można jednak, stosując całe systemy tub, otrzymać niemal dowolną charakterystykę częstotliwościową promieniowanych dźwięków, ale też i niemal dowolną charakterystykę kierunkowości promieniowania.

Jest więc tuba pewnego rodzaju transformatorem, przekształcającym duże ciśnienie i małe prędkości objętościowe u wlotu tuby w małe ciśnienie i duże prędkości objętościowe u wylotu tuby. Ze względu na geometrię tuby dzieli się na: wykładnicze, stożkowe, paraboliczne i hiperboliczne (poglądowo przedstawia to rysunek 4). Najczęściej stosuje się tuby wykładnicze, czasem stożkowe, rzadziej hiperboliczne i prawie nigdy paraboliczne.

Dlaczego, można zorientować się już po rozszyfrowaniu wykresu na następnej stronie. Jest to przebieg rezystancji promieniowania tych czterech rodzajów tub. Widać, że tuba 1, czyli paraboliczna, nie nadaje się zupełnie do odtwarzania tonów niskich. Nieco lepsza pod tym względem jest tuba stożkowa (2). Najlepsza, i z tego powodu najczęściej stosowana, jest tuba wykładnicza. Ktoś stwierdzi, że jeszcze lepsze właściwości prezentuje tuba hiperboliczna, jednak tuba wykładnicza ma niższą częstotliwość graniczną oraz najlepszy (maksymalnie płaski) przebieg charakterystyki.

Jeśli już padło hasło częstotliwość graniczna, to powiedzmy sobie kilka zdań na ten temat. Według teorii częstotliwości znajdujące się poniżej częstotliwości granicznej nie powinny być w ogóle przenoszone przez tubę. I faktem jest, że poniżej częstotliwości granicznej przenoszenie dźwięków przez tubę jest minimalne, ale jednak jest. Ponieważ jednak tłumienie jest silne, przy rozpatrywaniu całego głośnika tubowego za częstotliwość dolną pasma takiego głośnika przyjmuje się częstotliwość graniczną tuby, choćby nawet pasmo przenoszenia samego drivera było szersze "w dół".

Jeśli zapytamy, jak promieniuje tuba, to w kilku słowach można to określić tak: dla częstotliwości małych, przy których długości fal są większe niż średnica wlotu, decydującym czynnikiem jest wielkość wlotu tuby, natomiast dla częstotliwości takich, że odpowiednie długości fal są mniejsze niż średnica wlotu, decydującym czynnikiem jest kształt tuby, a kierunkowość jest niemal niezależna od średnicy wlotu. Poza tym, oczywistym jest, że wraz ze wzrostem częstotliwości (czyli im fala jest krótsza) charakterystyka staje się ostrzejsza.

Oprócz najzwyklejszych tub prostych stosuje się również tuby sfałdowane, tj. o osi wielokrotnie załamanej. Celem sfałdowania tuby jest otrzymanie tub geometrycznie krótkich, a jednocześnie długich akustycznie, czyli małe rozmiary, ale długa droga dla fali akustycznej biegnącej ze źródła przez tubę. Pewnym utrudnieniem jest tu staranne zaprojektowanie zagięć tuby, aby uniknąć powstawania dużych zniekształceń fazowych.

Z materiałów najczęściej stosuje się metal, tworzywo sztuczne oraz drewno (w obudowach typu "odwrotka"). Tuby metalowe prawie nie pochłaniają dźwięku, mają za to tendencję do drgań powodujących zniekształcenia i powstawanie zjawiska podobnego do pogłosu. Usztywnia się je, stosując odpowiednio gruby materiał lub przez uchwycenie ich w odpowiednio grube obejmy, bądź też pokrycie ścianek asfaltem(!) lub podobnymi materiałami smołowcowymi. Tuby drewniane są z zasady sztywniejsze, dlatego nie wpadają tak łatwo w drgania własne. Pochłaniają natomiast dźwięk, co może prowadzić do tłumienia ich nawet o kilka decybeli. Aby temu zapobiec, pokrywa się ścianki gładkimi i twardymi lakierami.

SPRAWNOŚĆ GŁOŚNIKA TUBOWEGO

Skoro wiemy już, z czego składa się nasz dzisiejszy bohater, spróbujmy to wszystko złożyć "do kupy" i zaprzęgnijmy go do roboty, aby móc przekonać się, co on potrafi. Podarujemy sobie szczegóły typu schemat zastępczy i poszczególne jego składowe.

Po dokonaniu odpowiednich transformacji wychodzi, że układ taki tworzy falowy filtr środkowoprzepustowy, charakteryzujący się dwiema częstotliwościami granicznymi: dolną f-1 i górną f1. Nie będę wystawiał cierpliwości Szanownych Czytelników na próbę, przytaczając wzory na te częstotliwości. Nadmienię tylko, że dolna częstotliwość graniczna jest równa częstotliwości rezonansowej membrany, zaś górna częstotliwość graniczna zależy od częstotliwości dolnej oraz stosunku podatności mechanicznej zawieszenia membrany do indukcyjności cewki.

Szerokie pasmo przenoszenia można więc osiągnąć przez stosowanie bardzo podatnych zawieszeń membrany i dużych indukcji w szczelinie. Zwiększenie długości drutu uzwojenia cewki nie daje żadnych korzyści, ponieważ ze wzrostem l2 wzrasta w tym samym stosunku indukcyjność cewki Lc. Podatność zawieszeń membrany głośników tubowych jest mniejsza, niż stożkowych, ze względu na mniejszy obwód membrany oraz stosowanie sztywniejszych i mniej stratnych materiałów.

Rozpatrując sprawność głośnika tubowego podzielimy pasmo na trzy zakresy. Na początku zakres częstotliwości od 0 do f-1. Poziom sprawności wzrasta tu od bardzo wielkiej wartości ujemnej (w dB) - przy częstotliwości granicznej tuby - do wartości odpowiadającej środkowemu zakresowi. Szybkość, z jaką poziom sprawności wzrasta, wynosi w pobliżu częstotliwości granicznej tuby ok. 18 dB/oktawę, a następnie maleje do wartości bliskiej zeru przy f-1. W środkowym zakresie poziom sprawności ma wartość w przybliżeniu stałą i jest zależna od stosunku rezystancji źródła Ren i rezystancji strat Rec. W górnym zakresie, leżącym powyżej górnej częstotliwości granicznej f1, poziom sprawności spada z szybkością 12 dB/oktawę.

Przykładową charakterystykę poziomu sprawności głośnika tubowego przedstawia rysunek 5. Sprawność teoretyczna głośnika tubowego może dochodzić do 80%, a przeciętnie wynosi od 30 do 40%. Jest to więc ponad 10 razy więcej, niż przeciętnego głośnika stożkowego otwartego.

Jeśli chcemy rozszerzyć pasmo przenoszenia danego głośnika w dół, możemy zastosować tubę o odpowiednio większych rozmiarach. Rysunek 6 przedstawia charakterystykę poziomu sprawności pewnego głośnika tubowego (linia ciągła) oraz głośnika z tym samym driverem, ale z tubą 4 razy większą (zarówno jeśli chodzi o średnicę wlotu i wylotu, jak i długość tuby). Tuba mniejsza ma częstotliwość graniczną 200 Hz i w zasadzie od tej częstotliwości zaczyna przenosić cały głośnik, natomiast tuba większa ma częstotliwość graniczną równą 50 Hz, dzięki czemu uzyskujemy poszerzenie pasma w dół, do tej częstotliwości.

Głośniki tubowe przeznaczone do przetwarzania małych i średnich częstotliwości charakteryzują się spadkiem sprawności od ok. 4 kHz. Jest to związane z potrzebą stosowania większych (więc i cięższych) membran oraz komór sprzęgających o odpowiednio dużych rozmiarach, aby wypromieniować odpowiednią moc przy małych częstotliwościach (duże wychylenia membrany).

Aby uzyskać przesunięcie pasma w górę, czyli stworzyć głośnik do przetwarzania wysokich częstotliwości, należy więc zmniejszyć masę membrany i rozmiary komory. Można również zrezygnować z dużych tub, dlatego popularne "gwizdki" w zestawach głośnikowych są tak zaprojektowane, że tubę stanowi zagłębienie w obudowie, w której osadzone są głośniki wysokotonowe.

W celu poszerzenia pasma w dół oraz uzyskania dużych mocy stosuje się głośnik tubowy z tubą szerokowlotową oraz głośnik  tubowy w obudowie z otworem. Głośnik z tubą szerokowlotową jest właściwie głośnikiem stożkowym w obudowie zamkniętej, zaopatrzonej w tubę o dużej powierzchni wlotu. Wnętrze takiej obudowy jest wyłożone materiałem dźwiękochłonnym, którego zadaniem jest pochłanianie energii promieniowanej przez tylną stronę membrany i niedopuszczenie do powstawania fal stojących.

Ze względu na dużą moc akustyczną promieniowaną oraz małe zniekształcenia nielinearne głośniki te są stosowane do nagłaśniania dużych pomieszczeń. Zestawiając kilka głośników tubowych razem i łącząc równolegle ich cewki drgające otrzymuje się zespół, którego sprawność jest znacznie większa, niż jednego głośnika, dzięki istnieniu rezystancji wzajemnej promieniowania poszczególnych tub. Można również dzięki temu kształtować charakterystykę kierunkowości. Jeśli np. powierzchnie wylotów tub tworzą część powierzchni kulistej otrzymujemy zestaw, którego charakterystyka jest równomierna w dużym kącie bryłowym.

OGRANICZENIA MAKSYMALNEJ MOCY PROMIENIOWANEJ

Największa moc, jaką głośnik może wypromieniować, jest ograniczona dwoma czynnikami - dopuszczalną amplitudą wychyleń membrany i temperaturą cewki drgającej. Ograniczenia związane z powstawaniem zniekształceń nielinearnych omówimy osobno. W przypadku wychyleń membrany jesteśmy ograniczeni wielkością komory sprzęgającej. Amplituda wychyleń membrany nie powinna bowiem przekraczać 0,5-0,7 wysokości komory sprzęgającej.

W niektórych głośnikach, zwłaszcza przeznaczonych do przetwarzania dużych częstotliwości, głównym czynnikiem jest jednak temperatura cewki drgającej. Okazuje się, że prawie cała ilość ciepła wytworzona w cewce zostaje przeniesiona przez szczelinę powietrzną do nabiegunników i stąd odprowadzona w powietrze. Z tego powodu oddawanie ciepła przez cewkę jest tym lepsze, im mniejsza jest szczelina powietrzna między cewką a nabiegunnikami.

Jednym z podstawowych warunków, które muszą być spełnione dla zmniejszenia strat cieplnych, jest duża sprawność głośnika. Jest to logiczne, bo ta moc elektryczna dostarczona, która nie zostaje przetworzona odkłada się jako straty cieplne w cewce.

ZNIEKSZTAŁCENIA NIELINEARNE

Oprócz zniekształceń nielinearnych, występujących z takich samych przyczyn, jak w głośnikach stożkowych (nielinearność podatności zawieszeń, niejednorodność pola magnetycznego w szczelinie, powstawanie drgań podharmonicznych) w głośniku tubowym mamy jeszcze do czynienia ze zniekształceniami mającymi swe źródło we właściwościach konstrukcyjnych tych głośników. Są to zniekształcenia spowodowane nieliniowością podatności powietrza i zmiany objętości komory sprzęgającej.

W pierwszym przypadku mamy do czynienia z faktem występowania dużych ciśnień u wlotu tuby (nawet rzędu 3*103 Pa). Występuje więc nielinearność przejawiająca się tym, że jednakowym dodatnim i ujemnym zmianom ciśnienia towarzyszą większe przyrosty dodatnie gazu, niż ujemne.

W drugim przypadku mamy do czynienia ze zjawiskiem zmiany pojemności komory membrany, związanej z drganiem membrany. Odpowiednio do tego zmienia się również podatność komory, a więc jest ona elementem nieliniowym i wprowadza zniekształcenia nieliniowe. Gdy mamy do czynienia z przebiegami sinusoidalnymi, zniekształcenia są największe przy małych częstotliwościach.

Inaczej sprawa wygląda, gdy przebiegi są złożone. Na tle ruchów membrany o częstotliwości małej istnieją wtedy ruchy o częstotliwości dużej i przez to mogą powstawać zniekształcenia nielinearne.

Piotr Sadłoń

---

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