Zwrotnice głośnikowe IV - Bi-amp

Po prosu rachunek ekonomiczny przemawia za nimi i jeśli nie zależy nam na naprawdę wyśrubowanych parametrach odtwarzania, urządzenia głośnikowe bez wbudowanej zwrotnicy, przystosowane do zasilania w systemie bi-amp, bardzo często przegrywają rywalizację z paczkami „czysto” pasywnymi.

W tym artykule spróbujemy jednak, czarno na białym, przedstawić zalety stosowania zewnętrznych crossoverów, zwłaszcza w porównaniu z problemami, jakie sprawiają „pasywki”.

CO TO JEST BI-AMP?

Na początku zdefiniujmy, czym jest ów bi-amp. Pamiętamy, iż w zestawach pasywnych wzmacniacz pracował z całym dostępnym pasmem sygnału, a podział pomiędzy poszczególne głośniki odbywał się już za wzmacniaczem, za pomocą pasywnej zwrotnicy. W systemie bi-amp jest inaczej. Do tego, aby w ogóle móc zastosować system bi-amp, potrzebujemy dwóch końcówek mocy, np. w formie wzmacniacza dwukanałowego, oraz – oczywiście – zewnętrznego crossovera, który może być też procesorem głośnikowym (ale nie musi, wciąż są w sprzedaży zwykłe crossovery, również analogowe). Możemy też mieć do czynienia z systemem tri-amp, w którym musimy dysponować trzema końcówkami mocy. Na razie jednak skupmy się na „podstawowym” systemie, w którym nasze pasmo przetwarzania dzielimy na dwa.

Układ połączeń w systemie bi-amp prezentuje rysunek 1. Sygnał najpierw trafia do aktywnej zwrotnicy (crossovera), gdzie jest dzielony na dwa pasma – niskie i średnie-wysokie. Następnie podawany jest na dwa oddzielne wzmacniacze (kanały), z których każdy wzmacnia tylko „swoją” część pasma akustycznego, a potem tak wzmocniony sygnał trafia już bezpośrednio do głośników. Widać więc, że między wzmacniaczem a głośnikiem jest w zasadzie tylko kabel, którego wpływ na sygnał w większości przypadków możemy pominąć (jeśli jest to przewód o odpowiedniej średnicy i długości). Pozbyliśmy się więc pasywnej zwrotnicy, ale kosztem drugiej końcówki mocy i stosunkowo nietaniego crossovera. Rachunek ekonomiczny faktycznie wypada kiepsko, czy jest to więc opłacalny „biznes” (w sensie poprawy jakości dźwięku)?

DYSTRYBUCJA MOCY

W typowym materiale programowym (cokolwiek to jest) możemy zdefiniować taki punkt na osi częstotliwości, w którym pomiędzy pasmem niskim a średnio- wysokotonowym zawarta jest mniej więcej taka sama ilość energii (czyli do ich „wyprodukowania” będzie potrzebna taka sama ilość mocy). Punkt ten wypada między 250 a 350 Hz. Oznacza to, iż aby uzyskać w miarę płaski przebieg charakterystyki będącej złożeniem obu pasm, których punkt podziału zdefiniowaliśmy np. dla 300 Hz, musimy zastosować dwie takie same końcówki mocy (czyli np. zasilić je z osobnych kanałów zwykłego wzmacniacza dwukanałowego). Podział „mocy” między dwoma pasmami częstotliwości, w zależności od punktu podziału tych pasm, przedstawia tabelka poniżej. Zaczerpnięta została z opracowania firmy Fane „Loudspeaker enclosure design and construction”.

Z tabeli wynika, że punkt „jednakowej mocy” wynosi 350 Hz, aczkolwiek nie należy tego traktować jak wyrocznię, bo jest on uzależniony w dużej mierze od materiału programowego (muzycznego) – nieco inaczej będzie to wyglądało w przypadku muzyki techno czy tanecznej, inaczej dla muzyki rockowej, a jeszcze inaczej dla akustycznego jazzu czy klasyki. Mniejsza o to, chodzi o przestawienie ogólnej idei, z której wynika, że powyżej częstotliwości 1 kHz energia zawarta w paśmie drastycznie spada. Podobnie jest zresztą w drugą stronę, czego już tabela nie uwzględnia.

O ile z tym pierwszym twierdzeniem wszyscy zgodzą się bez mrugnięcia okiem, o tyle to drugie – jakoby zawężanie pasma w dół powodowało znaczny spadek energii takiego pasma audio – może wzbudzić zdziwienie, a wręcz niedowierzanie. Przecież wszyscy dobrze wiemy, że subwoofery potrzebują o wiele większej mocy, niż zestawy szerokopasmowe, zwłaszcza jeśli satelitom obetniemy najniższe częstotliwości. Owszem, jest w tym sporo racji, jednak w tym przypadku mamy tu na myśli moc średnią, i ta faktycznie spada sukcesywnie poniżej częstotliwości 100 Hz. Moc szczytowa to inna para kaloszy. Jest ona mocno uzależniona od typu reprodukowanej muzyki (o czym wspomniałem chwilę wcześniej) i tutaj faktycznie potrzeba wzmacniaczy o często znacznych mocach, aby zapewnić niezniekształcone przenoszenie przeważnie mocnych, choć trwających dość krótko (właśnie dlatego ich moc średnia będzie dużo, dużo mniejsza, niż szczytowa), transjentów.

Powyższa tabela powstała przy założeniu jednakowej efektywności sekcji nisko- oraz średnio-wysokotonowych. Taka sytuacja zdarza się nieczęsto, więc w realnych zastosowaniach musimy uwzględnić współczynnik korekcji. Przykładowo, jeśli efektywność głośnika odtwarzającego pasmo niskie będzie 3 dB mniejsza niż głośnika(ów) odpowiedzialnych za odtwarzanie pasma średnio-wysokotonowego, to moc dla basów musimy podwoić.

MOC RZECZYWISTA VS MOC SKUTECZNA

Załóżmy teraz, że mamy 100-watowy wzmacniacz, za pomocą którego chcemy nagłośnić mało ciekawy sygnał sinusoidalny o częstotliwości 200 Hz i amplitudzie 28 V RMS. Ostatnie trzy literki są bardzo ważne, bo mówimy w tym momencie o napięciu skutecznym, a nie szczytowym, które od wartości RMS będzie o 3 dB większe (1,414 razy, a więc wyniesie 39,6 V). Dla 8-omowego obciążenia będzie to odpowiadało mocy ok. 100 W (dokładnie 98 W). Sygnał o częstotliwości 2 kHz i takiej samej amplitudzie będzie miał dokładnie taką samą moc, gdy obciążenie się nie zmieni. Teraz dodajmy do siebie te dwa sygnały, w takim sam sposób, jak dodawane są dźwięki w muzyce. Jeśli w dalszym ciągu będziemy rozpatrywać wartość RMS, to okaże się, że moc takiego sygnału wzrosła nam dwukrotnie (konkretnie o 3 dB, co dla mocy odpowiada właśnie podwojeniu). Faktycznie, wartość napięcia skutecznego (RMS) takiego sygnału wyniesie 40 V, co – stosując znany chyba wszystkim wzór na moc P = U2/R – daje nam w sumie 200 W mocy. A więc wszystko gra – 100 + 100 = 200, więc w czym problem?

Problem zacznie się, gdy przyjrzymy się przebiegowi czasowemu tego sygnału, np. za pomocą oscyloskopu. Zauważymy, że sygnał o wyższej częstotliwości niejako oscyluje wokół przebiegu niskoczęstotliwościowego (spójrzmy na rysunek 2c), a wartość szczytowa sygnału wynikowego wzrosła dwukrotnie (w porównaniu do dwóch składowych tego sygnał z rysunku 2a i 2b). W naszym przykładzie będzie ona wynosić 2 x 28 V = 56 V, co po podstawieniu do wzoru na moc da nam dokładnie wartość 392 W. Jak widać, moc niezbędna do tego, aby czysto bez zniekształceń przenieść cały sygnał wzrosła nie dwukrotnie, ale czterokrotnie! I to nas musi przede wszystkim zainteresować, gdyż moc RMS w tym momencie ma dla nas drugorzędne znaczenie. Sugerując się bowiem wartością RMS i stosując do przeniesienia takiego złożonego sygnału, jak w naszym przykładzie, wzmacniacza o mocy 200 W spowodujemy efekt, jak na rysunku 3.

Przekroczenie wartości napięcia wyjściowego powyżej napięcia zasilającego wzmacniacz spowoduje obcięcie szczytów i dolinek sygnału (czyli klasyczny przester albo, jak kto woli, cliping). Rezultatem tego jest mocno charczący dźwięk, który nie dość że jest nieprzyjemny dla ucha, to jeszcze niebezpieczny dla driverów. Taki „twardy” przester sprawia, iż do drivera trafia sygnał „bogaty” w wyższe harmoniczne (których normalnie w sygnale nie powinno być, oprócz dwóch składowych – 200 i 2.000 Hz), dodatkowo mocno skompresowany, przez co energia sygnału wzrasta, a ruch cewki przetwornika jest znikomy i jej chłodzenie mocno utrudnione. Prosta droga do przepalenia driverów!

Skąd się nam w sygnale wzięło tyle „śmieci”? Amplituda oryginalnych składowych – 200 Hz i 2 kHz – spada do ok. 811 mV. Resztę z 1 V, które te składowe miałyby bez przesteru, „zjadają” dodatkowe, niepożądane harmoniczne. Widać więc, że prawie 1/3 sygnału przechodzi do „śmieci”. Pojawiają się trzecie harmoniczne 200 Hz (600 Hz) i 2 kHz (6 kHz o takich samych poziomach) oraz częstotliwości będące sumą i różnicą naszych dwóch sygnałów, a także ich harmoniczne: 1,8 i 2,2 kHz (ponad 5-procentowy poziom zniekształceń) oraz 3,8 i 4,2 kHz, a także 7,8 i 8,2 kHz. Oprócz tego cały zastęp mniejszych harmonicznych, których poziom zniekształceń nie przekracza 1%. W sumie masa niepotrzebnych częstotliwości, które w efekcie dają mocno zniekształcony i nieprzyjemny w odbiorze dźwięk.

Reasumując – dzięki systemowi bi-amp zamieniliśmy 400-watowy wzmacniacz, który musielibyśmy zastosować w zestawie pasywnym, na dwa wzmacniacze po 100 W. No cóż, może wygląda to jak „zamienił stryjek siekierkę na kijek”, bowiem dwa wzmacniacze stuwatowe raczej nie będą w sumie tańsze niż jeden 400 W, ale jednak zyskujemy choćby na zużyciu energii. Ale to nie koniec „bonusów” stosowania bi-ampu.

ZNIEKSZTAŁCENIA INTERMODULACYJNE

Jak zapewne Wam wiadomo, zniekształcenia intermodulacyjne powstają, gdy dwa różniące się częstotliwością sygnały są wzmacniane jednocześnie przez ten sam wzmacniacz. Efekt ten jest szczególnie zauważalny w przypadku, gdy sygnały dość istotnie różnią się poziomami oraz gdy sygnał o wyższej częstotliwości jest modulowany przez sygnał niskoczęstotliwościowy. Efekt słuchowy zniekształceń intermodulacyjnych jest taki, że dźwięk jest zamulony, szczególnie wysokie częstotliwości tracą przejrzystość. Poszczególne instrumenty stają się trudne do „wyłowienia” z miksu, bowiem ich wyższe harmoniczne mieszają się ze sobą, tworząc „ścianę dźwięku”. Zniekształcenia intermodulacyjne nie są ze sobą związane harmonicznie, więc ich działanie jest gorsze niż „zwykłych” zniekształceń harmonicznych.

Widać już, do czego zmierzam? Jeśli mamy sygnały o różniących się znacznie częstotliwościach, to w sytuacji gdy odseparujemy je od siebie zanim dotrą do wzmacniacza, w znaczący sposób wyeliminujemy zniekształcenia intermodulacyjne. A więc w systemie bi-amp, gdzie zwrotnica aktywna dzieli sygnał przed wzmacniaczami, możemy również spodziewać się istotnej poprawy w tej dziedzinie – i tak jest faktycznie.

EFEKTYWNOŚĆ GŁOŚNIKÓW

Rzadko udaje się tak dobrać przetworniki w zestawie głośnikowym, aby wszystkie charakteryzowały się taką samą efektywnością. Przeważnie głośniki niskotonowe będą mniej efektywne od driverów czy przetworników średniotonowych. Gdy zestaw taki zasilamy z jednego wzmacniacza, musimy zadbać, aby zwrotnica nie tylko podzieliła sygnał pomiędzy nie, ale również odpowiednio „wyrównała” głośniki pod względem efektywności. Jako że są to urządzenia pasywne, jedyną drogą do osiągnięcia tego jest stłumienie sygnału docierającego do tych przetworników, których efektywność jest większa niż „najgorszego” z nich. Powodujemy więc niepotrzebną stratę sygnału po wzmocnieniu, a więc część „wykonanej” przez wzmacniacz (w pocie czoła) pracy idzie na marne! To tak, jak byśmy pięknie ułożyli płytki na podłodze, na długości powiedzmy 5 metrów, a po skończonej pracy przyszedł ktoś i metr tych z wielkim trudem ułożonych płytek potraktował kilofem albo młotem kowalskim. Bez sensu, prawda?

Natomiast w systemie bi-amp wszelkich niezbędnych redukcji sygnału, tak aby zrównoważyć niejednakowe efektywności głośników, dokonujemy w crossoverze, a więc jeszcze zanim dotrze on do wzmacniacza – unikając niepotrzebnego wzmacniania, a chwilę potem tłumienia sygnału.

CHARAKTERYSTYKA FAZOWA

Każdy filtr wprowadza przesunięcia fazowe sygnału przezeń przepuszczanego – to fakt bezsporny. Charakterystyka fazowa crossoverów jest jednak przewidywalna, pod warunkiem wszakże, iż impedancja obciążenia „zachowuje” się również przewidywalnie (a najlepiej, jak jest niezmienna). Niestety nie możemy tego powiedzieć o pasywnych zestawach głośnikowych (patrz poprzedni artykuł oraz w numerze wakacyjnym). Ponadto zwrotnice parzystego rzędu (12 dB/okt, 24 dB/okt) sprawiają, że w punkcie podziału mamy 180-stopniowe przesunięcie fazy pomiędzy pasmami, co w praktyce oznacza drastyczny spadek poziomu sygnału w okolicy punktu krosu. Dlatego jeden z głośników zestawu współpracującego z taką zwrotnicą jest podłączany w przeciwfazie w stosunku do drugiego.

Tak naprawdę to głośniki te są w PERMANENTNEJ przeciwfazie, a nie tylko w punkcie podziału (patrz rysunek 4), z tym że dla nas istotne jest właśnie to miejsce, gdzie przetworniki grają z takim samym poziomem, co w przypadku pracy w przeciwfazie jednego względem drugiego nie może skończyć się dobrze. Wraz z oddalaniem się od punktu podziału sygnał emitowany przez jeden przetwornik szybko maleje, a więc przestaje on wpływać na finalne brzmienie zestawu. Sam zaś fakt, że jeden przetwornik pracuje w przeciwfazie w stosunku do drugiego nie jest słyszalny (przynajmniej teoretycznie), dlatego znaczenie ma dla nas nie tyle to, z jaką fazą gra dany głośnik, ale w jakiej jest ona relacji w stosunku do fazy drugiego głośnika.

Nie jest to jednak w tym momencie dla nas najistotniejsze. Ważne jest, iż uzyskanie crossovera koherentnego fazowo jest znacznie łatwiejsze w przypadku zwrotnic aktywnych niskiego poziomu, niż pasywnych, w których na ich działanie znaczący wpływ ma również impedancja obciążenia, która jest zmienna, i to w sposób mocno nieprzewidywalny. Stąd kolejny bonus systemów bi-amp – możliwość wyeliminowania zniekształceń fazowych. A gdy jeszcze skorzystamy z dobrodziejstw techniki cyfrowej (filtry FIR), relacje fazowe pomiędzy poszczególnymi pasmami przestaną być w zasadzie problemem.

INNE

Znów odeślę Was na moment do poprzednich dwóch odcinków cyklu o zwrotnicach, gdzie dość szczegółowo przedstawione zostały bolączki i problemy zwrotnic pasywnych. Przypomnijmy – wpływ impedancji obciążenia (głośnika) i źródła (wzmacniacza) na parametry zwrotnicy, wpływ temperatury na te impedancje (również na parametry elementów samej zwrotnicy) oraz temat z poprzedniego numeru – drastyczne zmniejszenie Współczynnika Tłumienia (Damping Factor), który w pewnych okolicznościach może spaść… do 0! Wszystkich tych problemów, jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki, pozbywamy się w systemie bi-amp. Brak jakichkolwiek „szkodników” między wzmacniaczem a głośnikiem (oprócz kabli) oraz fakt, że częstotliwość podziału jest stała i niezmienna (nieznaczne wahania zawsze wystąpią, choćby wynikające z „pływania” parametrów elementów crossovera, są one jednak zupełnie nieporównywalne z tymi, jakie „funduje” nam zwrotnica pasywna) sprawia, że efekt pracy zestawu pasywnego i takiego, w którym za odtwarzanie poszczególnych pasm odpowiadają oddzielne wzmacniacze, jest słyszalny.

PODSUMUJMY

Kosztem dodatkowego wzmacniacza i zewnętrznego crossovera uzyskujemy:
– Efektywniejsze (do dwóch razy) gospodarowanie mocą wzmacniaczy
– Redukcję zniekształceń intermodulacyjnych
– Brak konieczności tłumienia wzmocnionego sygnału w celu wyrównania różnic w efektywności głośników
– Znaczącą poprawę Damping Factor
– Brak interakcji między głośnikami (nie ma między nimi żadnego połączenia, inaczej niż to ma miejsce w zwrotnicy pasywnej)
– Uwolnienie od uciążliwego i pracochłonnego procesu projektowania zwrotnic pasywnych
– Elastyczność doboru wzmacniaczy zasilających dane pasmo (np. stosowanie wzmacniaczy z tranzystorami bipolarnymi do odtwarzania pasma basowego, a MOSFET-owych dla wyższych częstotliwości)
– Możliwość dokładnego dopasowania mocy wzmacniaczy do parametrów głośników w celu uzyskania maksymalnej efektywności.

Jeśli do kogoś nie przemawiają te argumenty, to nie wiem, co może go jeszcze przekonać. Może posłuchanie dwóch jednakowych zestawów – jednego z pasywną zwrotnicą, a drugiego pracującego w konfiguracji bi-amp – odtwarzających różnoraki materiał muzyczny. Gwarantuję, że różnice będą słyszalne (jeśli oczywiście system bi-amp będzie starannie skonfigurowany).

Piotr Sadłoń