Przewody. Kilka prawdziwych informacji o przewodach głośnikowych

Jedną z podstawowych technik sprzedażowych jest tzw. dyferencjacja. Polega ona na tym, iż sprzedawca przedstawia nam powody, dla których powinniśmy się zdecydować na zakup tego czy innego, ściśle określonego produktu – w tym przypadku mam na myśli przewód głośnikowy. W tym celu musi zidentyfikować, a bardzo często gęsto po prostu wymyślić, różnice, które czynią oferowany przez niego przewód lepszym od konkurencyjnych. Owe poszukiwania walorów koncentrują się nierzadko na „efekcie naskórkowym”. Jest to zjawisko rzeczywiste, sprawiające, że przy bardzo wysokich częstotliwościach elektrony wędrują sobie po zewnętrznej otulinie, czy też „naskórku”, przewodu sygnałowego. Zjawiskiem powiązanym jest także to, iż sygnały wysokoczęstotliwościowe są przewodzone tym samym przewodem z większą prędkością niż niskoczęstotliwościowe. Zjawiskom tym przeciwdziała się kilkoma sposobami. Przewody „Litz” produkuje się jako plecionkę większej liczby nitek przewodnika, tudzież żył, skręconych razem i formujących przewód, w efekcie czego powstaje duża powierzchnia „naskórkowa”, znacznie większa niż wynikałoby to z łącznego przekroju całego przewodu. Inne rozwiązanie, stosowane w przypadku transferu sygnałów wysokiej mocy i wysokiej częstotliwości, polega na zastosowaniu przewodnika wydrążonego, przypominającego miedzianą rurkę. Skoro bowiem elektrony „olewają” rdzeń kabla, to po co zań płacić?

Jednak problemy te nie dotyczą nas, dźwiękowców, pracujących z sygnałami o mizernym spektrum 20 Hz-20 kHz. Być może dotyczyłyby, gdybyśmy musieli przesyłać owe sygnały na odległość wielu kilometrów – jak w czasach telefonii sprzed ery cyfrowej. Jednakże przy prędkości, z jaką porusza się prąd, długość typowych, stosowanych w nagłośnieniu linii głośnikowych nie stanowi tu problemu.

POZA PERSPEKTYWĄ

Przewód nie jest produktem, który łatwo poddaje się zabiegom marketingowym, ale mimo to może mieć znaczący i, co ważniejsze, słyszalny wpływ na brzmienie. Najważniejszym czynnikiem jest tutaj zwykła rezystancja. Na ironię zakrawa fakt, że sprzedawcy zazwyczaj nadmiernie wyolbrzymiają pewne parametry – rzeczywiste, aczkolwiek pozbawione większego znaczenia – zupełnie pomijając to, co najistotniejsze.

Zresztą mniejsza o to. Powinniśmy pamiętać, iż w przypadku przewodu głośnikowego istotne jest, aby cechował się on niską impedancją. Jeżeli bowiem przewód charakteryzuje się znaczącą reaktancją (składnikiem impedancji), która zmienia się w obrębie spektrum częstotliwości audio, to może ona powodować nieprawidłowości w odpowiedzi częstotliwościowej. Ponadto, z uwagi na fakt, iż impedancja głośnika również zmienia się wraz z częstotliwością, błędy takie pojawiają się nawet w przypadku przewodu idealnie rezystywnego. Owe przekłamania sumują się i nasilają proporcjonalnie do wzrostu rezystancji kabla.

Dostawcy często nie zawracają sobie głowy takimi parametrami, jak rezystancja przewodu, bo przecież wynika ona z jego rozmiaru, czyli przekroju. Jednakże przekłamania odpowiedzi częstotliwościowej, powodowane rezystancją przewodów, są zjawiskiem rzeczywistym, dającym się usłyszeć. Odbyłem kiedyś rozmowę z pewnym gościem, który zaklinał się, że słyszy znaczącą poprawę brzmienia po zmianie przewodów głośnikowych na „X”. Na podstawie tego, co mówił, wywnioskowałem, że przekrój przewodów, których używał, miał wręcz marginalne znaczenie wobec ich długości. Szerokopasmowe straty poziomu spowodowane rezystancją przewodów byłyby trudne do wychwycenia bez wnikliwego testu porównawczego. Jednakże różnice w stratach poziomu przy różnych częstotliwościach, wynikające ze zmian impedancji głośnika, mogą bez trudu prowadzić do zafałszowań odpowiedzi częstotliwościowej, a te z dużym prawdopodobieństwem da się łatwo wychwycić. Nietrudno sobie więc wyobrazić, że wzrost impedancji w zakresie wysokich częstotliwości może prowadzić do przyjemnie brzmiącego podbicia sopranów. Tylko posłuchajcie, jak czysto brzmią te przewody „X”!

Istnieje kilka technik radzenia sobie z tymi stratami, wynikającymi z rezystancji przewodów. Najbardziej oczywistym jest – więcej miedzi! Grubsze przewody, o niższej rezystancji, spowodują mniejsze straty przy danej długości linii głośnikowej. Innym, również oczywistym rozwiązaniem, jest umiejscowienie wzmacniaczy tak blisko głośników, jak to tylko możliwe, a tym samym maksymalne skrócenie przewodów. Trzecia, nieco mniej oczywista metoda polega natomiast na podwyższaniu napięć pośrednich.

NAPIĘCIE STAŁE

Bywają sytuacje, między innymi w przypadku rozproszonych systemów nagłośnieniowych, gdy ze względów finansowych zastosowanie pierwszych dwóch rozwiązań nie wchodzi w grę. Nie da się zainstalować osobnego wzmacniacza obok każdego głośnika, natomiast przesyłanie sygnału na duże odległości, przy zachowaniu akceptowalnego poziomu strat, wymagałoby zastosowania naprawdę grubych przewodów. Rozwiązaniem jest strategia zapożyczona z systemów dystrybucji wysokiego napięcia, za pośrednictwem których prąd z elektrowni dociera do naszych domów.

Moc uzyskiwana przy danym obciążeniu wzrasta proporcjonalnie do kwadratu napięcia na końcówkach przewodu (U2/R). Jednakże straty w przewodzie wzrastają liniowo wraz ze wzrostem prądu, ponieważ napięcie jest jedynie funkcją rezystancji przewodu pomnożonej przez natężenie płynącego prądu. Inżynierowie stwierdzili więc, że zwiększając napięcie na linii przesyłowej można zwiększyć przesyłaną moc, jednocześnie zmniejszając jej straty. Ten magiczny zabieg realizuje się za pomocą transformatorów podwyższających i obniżających napięcie. Podwyższenie standardowego napięcia 240 woltów do dziesiątek tysięcy woltów na linii przesyłowej pozwala zmniejszyć natężenie prądu z typowych 100 amperów do znacznie wygodniejszej wartości 1 ampera lub coś koło tego. Jednocześnie straty maleją do wartości jednego procenta w stosunku do poziomu strat sprzed „transformacji”.

Podobny zabieg stosuje się w rozproszonych systemach nagłośnieniowych, jakkolwiek napięcie na liniach głośnikowych nie sięga tysięcy woltów, a jedynie 70 (w przypadku standardu amerykańskiego) bądź 100 (w instalacjach funkcjonujących w Europie).

Oczywiście sygnał audio nie jest stały – stałe jest jedynie napięcie pomiędzy zaciskami wyjściowymi wzmacniacza. Bez względu na podawaną moc, czy będzie to 5, czy 500 watów, napięcie nominalne w systemie stałonapięciowym pozostaje zawsze jednakowe.

Zadaniem efektywnie działającego systemu rozproszonego jest dostarczenie możliwie największej mocy, która zostanie spożytkowana zgodnie z przeznaczeniem, czyli do zasilenia głośników, przy jednoczesnym zminimalizowaniu strat cieplnych w przewodach. Gdybyśmy w prostym, niskonapięciowym systemie rozproszonym przesłali zwykły kilkuwatowy sygnał głosowy do zestawów głośnikowych oddalonych o kilkadziesiąt metrów, straty w przewodach zrównałyby się z mocą, jaka dotarła do przetworników. Gdybyśmy jednak transformatorowo zwiększyli napięcie na linii głośnikowej do 70 V, doprowadzając sygnał do głośników za pośrednictwem transformatorów obniżających owo napięcie, wtedy straty mocy uległyby znaczącemu ograniczeniu.

Przyjrzyjmy się paru liczbom. Przyjmijmy, że do każdego z dwóch głośników, które oddalone są od wzmacniacza o 30 metrów, musimy dostarczyć sygnał o mocy 1 wata na każdy z nich, zaś linia głośnikowa zbudowana jest z przewodu o rozmiarze 24 AWG (średnica 0,511 mm). Ponieważ jego długość musimy mierzyć „tam i z powrotem”, czyli podwajając odległość do najdalszego głośnika, toteż wychodzi nam, iż ów kabel ma nie 30, a 60 metrów, co z kolei oznacza, że jego rezystancja wynosi około 5 omów. Aby doprowadzić po jednym wacie mocy do obu głośników, wzmacniacz w systemie niskonapięciowym musiałby wygenerować ponad cztery waty (przeszło dwa waty ulotniłyby się w postaci bezużytecznego ciepła). Jeżeli jednak napięcie sygnału zostałoby najpierw podwyższone, np. do nominalnego poziomu 70 V, wówczas straty mocy w tym samym przewodzie wyniosłyby zaledwie około 0,15 W, przy czym moc dostarczana każdemu z głośników nie zmieniłaby się (rysunek 1).

O ile jednak systemy stało- (wysoko-) napięciowe świetnie radzą sobie ze stratami mocy w przewodach, to ich stosowanie w nagłośnieniach koncertowych nie ma większego sensu. Główną przeszkodą byłyby tu rozmiary transformatorów. Chodzi o to, że gabaryty transformatora powinny być dwukrotnie większe na każde rozszerzenie pasma o oktawę w dół. A zatem aby bez przeszkód „przepuścić” pasmo schodzące do 20 Hz, oba transformatory, podwyższający i obniżający napięcie, musiałyby być trzykrotnie większe niż transformator zasilacza w konwencjonalnym wzmacniaczu.

IM KRÓCEJ TYM LEPIEJ

Dobrą wiadomością dla nagłośnieniowców live jest to, że nie muszą oni używać szczególnie długich przewodów głośnikowych. Ustawienie wzmacniaczy w pobliżu głośników pozwala bowiem zastosować kable o rozsądnej długości, dzięki czemu mogą one też być grubsze.

Skoro kwestia strat mocy w przewodach jest w tej sytuacji opanowana, to warto przyjrzeć się innemu, znaczącemu aspektowi związanemu z rozmiarem przewodów głośnikowych. Chodzi tu o zakłócenia odpowiedzi częstotliwościowej, powstające w wyniku interakcji stałej rezystancji przewodów z impedancją głośników, zmieniającą się w funkcji częstotliwości.

Rysunki 2 i 3 przedstawiają wykresy impedancji dwóch różnych głośników. Nie są to jednak bynajmniej przykłady ekstremalne. Na rysunku 2 widać, że maksymalna impedancja danego głośnika wynosi ponad 17 omów, podczas gdy w dość rozległym regionie wyższego basu wynosi ona około 5 omów.

Przebieg przedstawiony na rysunku 3, jakkolwiek jest znacznie bardziej złożony, to jednak obejmuje podobny zakres impedancji, z maksimum w okolicach 16 omów i minimum w pobliżu 6.

Aby zbadać odchylenia odpowiedzi częstotliwościowej, musimy porównać spadek mocy w punktach maksimum i minimum impedancji. Poniższe obliczenia dokonane są przy założeniu określonej rezystancji przewodu. Uwaga: aby uprościć tę analizę przyjmijmy, iż impedancja głośników jest równa rezystancji.

Choć nie do końca dokładnie, to impedancja głośnika w punkcie swojego minimum równa jest jego rezystancji, zaś przesunięcia fazowe występujące w punktach maksymalnej impedancji nie mają większego znaczenia dla naszej analizy.

Minimalny spadek napięcia = V maks = Z maks / (Z min + Z przewodu)
Maksymalny spadek napięcia = V min = Z min / (Z maks + Z przewodu)
Dewiacja odpowiedzi częstotliwościowej = OC maks = -20 log10 (V min / V maks)

Wykonując powyższe wyliczenia dla rezystancji przewodu 1, 0,5 i 0,1 oma otrzymujemy:

Inną konsekwencją istnienia rezystancji przewodu jest degradacja współczynnika tłumienia, czyli damping factor. Jakkolwiek czynnik ten zazwyczaj rozważany jest jako charakterystyka wzmacniacza, to jednak właściwy dobór przewodów głośnikowych może mieć na jego wartość dość istotny wpływ.

Jeśli odniesiemy się do omówionych wyżej przykładów, to przewód głośnikowy o rezystancji 0,1 oma w niewielkim stopniu wpłynie na damping factor, zmniejszając go o 5, może 6 jednostek (niezależnie od nominalnej wartości tego parametru we wzmacniaczu). Jednak zastosowanie przewodu o impedancji 1 oma spowodowałoby obniżenie współczynnika tłumienia o zauważalną już wartość, 50 do 60, z dodatkową degradacją związaną z impedancją wyjściową wzmacniacza.

Współczynnik tłumienia to temat zasługujący na odrębne omówienie, jednak w bieżącej analizie przyjmiemy założenie, że impedancja wyjściowa wzmacniacza jest znikoma w porównaniu do rezystancji przewodu.

CO WYBRAĆ

Trudno jest precyzyjnie wyznaczyć próg słyszalności dewiacji odpowiedzi częstotliwościowej. Jednakże testy przeprowadzone w ściśle kontrolowanych warunkach wskazują, że słyszalne mogą być nawet różnice mierzone w dziesiątych częściach decybela. Aby więc upiec dwie pieczenie na jednym ogniu, czyli zminimalizować owe odchylenia oraz uniknąć degradacji współczynnika tłumienia dla naszych przykładowych głośników, należy przyjąć, że przewód głośnikowy powinien mieć rezystancję około 0,1 oma.

Rezystancja przewodu zmienia się liniowo wraz z jego długością. Aby więc utrzymać się w założonych granicach rezystancji, musimy najpierw wyznaczyć potrzebną długość kabla, a następnie dobrać odpowiedni przekrój. Należy przy tym pamiętać, iż rzeczywistą długość przewodu należy liczyć jako podwójną odległość pomiędzy wzmacniaczem i głośnikiem. Trzeba także uwzględnić rezystancję wszystkich złącz.

Rozpatrzmy teraz przykład praktyczny z przewodem o długości 10 metrów. Po pierwsze, musimy tę wartość podwoić, uwzględniając w ten sposób długość całej ścieżki, jaką pokonuje sygnał głośnikowy. Następnie doliczamy rezystancję styków w złączach. Złącza Neutrik Speakon (a także ich kopie), kiedy są nowe, cechują się rezystancją na poziomie 1 milioma, czyli 0,001 oma, na każdy ze styków. W ciągu kolejnych lat eksploatacji nie powinna ona przekroczyć 2 miliomów. Ponieważ na drodze sygnału występują co najmniej cztery styki, toteż w naszych obliczeniach musimy uwzględnić dodatkową rezystancję 0,008 oma, odejmując ją od założonej rezystancji granicznej przewodu. Tym sposobem „do dyspozycji” jako rezystancja przewodu pozostaje nam 0,092 oma.

Dzieląc owe 0,092 oma przez długość przewodu, czyli 20 metrów, wyliczamy rezystancję 0,0046 oma na metr. Korzystając z tabeli, np. dostępnej pod adresem http://pl.wikipedia.org/wiki/American_ wire_gauge, sprawdzamy, jaki przekrój powinien mieć przewód o rezystancji 4,6 oma na 1.000 metrów (0,0046 * 1.000). Wychodzi nam, że nie powinien on być mniejszy niż 4,17 mm2. Odpowiada to amerykańskiemu wzorcowi 11 AWG, czyli 56/0,3 w systemie metrycznym.

Przy okazji kilka słów o wspomnianym systemie AWG. Rezystancja przewodu zmienia się liniowo wraz z jego długością, a nieliniowo w odniesieniu do jego przekroju. Wygodną właściwością owego systemu jest to, że każdy przyrost wartości AWG o trzy punkty oznacza podwojenie oporności przewodu. Tym samym maleje ona o połowę z każdym zmniejszeniem AWG o trzy punkty. Oznacza to, że jeden odcinek przewodu 14 AWG o długości 10 metrów zapewnia tę samą efektywność przewodzenia, co 20-metrowy 11 AWG albo 5-metrowy 17 AWG.

Konwersja ta staje się nieco niezwykła dla rozmiarów poniżej „0” AWG. Jeden stopień poniżej (czyli rozmiarowo większy) „0” to „00”, zaś „000” to dwa stopnie mniej niż „0”. Jednak trudno sobie wyobrazić przewody głośnikowe o takim przekroju – ich podłączenie byłoby niezmiernie trudne.

Oczywiście omówione tu przykłady przemówią co najwyżej do technologicznych purystów, i to tych najbardziej radykalnych. Zazwyczaj nie podchodzi się do kwestii rezystancji przewodów głośnikowych w tak precyzyjny sposób. Niemniej jednak sądzę, że warto pamiętać, iż parametry tychże przewodów mogą odcisnąć swoje piętno na efektywności działania systemu nagłośnieniowego. I taki też był cel napisania tego artykułu.

Pamiętajcie też, by obliczeń minimalnych/ maksymalnych odchyleń impedancji dokonywać jedynie dla pasm, które są rzeczywiście przetwarzane przez dane głośniki. Jakież wszak znaczenie może dla nas mieć impedancja woofera przy częstotliwości 20 kHz, skoro i tak nigdy on jej nie przetworzy?

Krzysztof Marecki