Konstrukcje aktywne vs. pasywne Czy tańsze znaczy lepsze?

Za najpełniejsze ujęcie tego poglądu uznawane jest stwierdzenie sformułowane przez Karola Marksa, że „byt kształtuje świadomość”. Jak być może część z Was pamięta, stworzona przez pana Marksa (wraz z jego kumplem Engelsem) ideologia socjalizmu naukowego raczej kiepsko się w praktyce przyjęła i dlatego ja skłaniam się zdecydowanie ku twierdzeniu, że to nie byt kształtuje naszą świadomość, a jest on jedynie wynikiem zakresu ludzkiej świadomości.

Materiał, który zamieściłem w poprzednim numerze nie miał mieć, w moim zamiarze, swojego dalszego ciągu. Temat uznałem za wyczerpany i postanowiłem do niego więcej nie wracać, a przynajmniej nie wracać do czasu, zanim nie zdarzy się sytuacja, skutkiem której zdecyduję, że do poruszonego tematu należy jeszcze coś nowego „dorzucić”. Tu przypomnę może, że temat dotyczył tego, jak w prosty sposób poradzić sobie w zaskakujących i niecodziennych sytuacjach, gdy napotyka się sprzęt, który spora część młodych realizatorów najchętniej widziałaby w muzeum techniki. W materiale tym nie chciałem zapuszczać się w meandry konstrukcyjnych zawiłości dotyczących samej budowy monitorów, bo nie było to jego głównym tematem. Co prawda wspomniałem tam ogólnikowo o rodzajach monitorów, dokonując ich podziału w odniesieniu do trybu pracy, ale marginalnie potraktowałem na przykład temat filtrów, postanawiając nie zagłębiać się w to zagadnienie w stopniu większym, niż niezbędne w kontekście tamtego materiału minimum. Kiedy jednak pewien z moich przypadkowych rozmówców usiłował przekonać mnie, że aktywne systemy znacznie powiększają koszty zakupu sprzętu, a do tego nie istnieje – jego zdaniem – żadne racjonalne uzasadnienie, by owe dodatkowe koszty ponosić, pomyślałem sobie, że chyba jednak warto, a właściwie trzeba będzie do pewnych zagadnień powrócić. Bo oto dotarło do mnie w tym momencie, że jednak nie wszystko jest tak jasne i oczywiste, jak sądziłem, a przynajmniej nie jest oczywiste dla każdego.

Upór, z jakim ów rozmówca bronił swojej opinii trochę mnie zaskoczył, bo różnice pokazane na zasadzie zestawienia wad oraz zalet konstrukcji o aktywnym podziale vs. pasywnych były już wcześniej kilkakrotnie i bardzo dokładnie omawiane, zarówno na łamach tego magazynu, jak też magazynu „Estrada i Studio”. Poza tym istnieje mnóstwo różnych poważnych (nie tylko audiofilskich) opracowań, które moim zdaniem temat ten w pełni wyczerpują, pozwalając wyrobić sobie przejrzysty pogląd, który nie powinien u nikogo pozostawiać jakichkolwiek wątpliwości.

Wracajmy do tematu. Przypomnę może na wstępie, że w poprzednim materiale napisałem, iż monitory podłogowe (zasada ta odnosi do wszystkich zespołów głośnikowych) podzielić możemy na aktywne oraz pasywne. Zespoły głośnikowe, w których obudowie konstruktor umieścił blok mocy, są szczególnym przypadkiem konstrukcji wykorzystującej aktywny podział sygnału.

Przypomnę też jeszcze, czym różni się konstrukcja aktywna od pasywnej. Jeżeli posłużymy się bardzo dużym uproszczeniem, to możemy użyć stwierdzenia, że konstrukcja aktywna od pasywnej różni się przede wszystkim miejscem zastosowania filtrów wyznaczających zakres częstotliwości dla poszczególnych przetworników. W konstrukcji aktywnej filtry te umieszczone są przed wzmacniaczami, w konstrukcji pasywnej – pomiędzy wzmacniaczem i głośnikami, co niestety nie pozostaje bez znaczenia dla działania takiego układu.

Tak czy inaczej, bez względu na to, w jaki sposób dokonany został podział sygnału, wzmacniacz zawsze współpracuje z przetwornikiem, choć – jak powiedziałem wcześniej – punkt umieszczenia filtrów nie jest dla tej współpracy zupełnie obojętny. Pomińmy na chwilę obecność pasywnych filtrów pomiędzy wzmacniaczem oraz głośnikiem, aby nieco bliżej przyjrzeć się zależnościom w bezpośredniej relacji na drodze wzmacniacz – głośnik.

TROCHĘ FIZYKI

Sygnał dostarczany ze wzmacniacza powoduje przepływ prądu przez cewkę głośnika, a ponieważ prąd ten płynie w stałym polu magnetycznym, to na cewkę działa siła, która wymusza jej odchylenie od położenia spoczynkowego, co powoduje jej ruch, wraz z przytwierdzoną do niej membraną. Jest to sytuacja klasyczna, bo na układ wzmacniacz + głośnik patrzymy zwykle tylko od strony wzmacniacza, gdzie wzmacniacz jest dla głośnika źródłem sygnału, a głośnik dla wzmacniacza stanowi obciążenie.

W pewnych szczególnych sytuacjach mamy jednak do czynienia z odwróceniem tych funkcji. Ruch membrany głośnika wywołuje indukowanie w cewce, która porusza się pomiędzy nabiegunnikami magnesu, siły elektromotorycznej (SEM). Siła elektromotoryczna powstająca w głośniku powoduje, że to głośnik staje się w danej chwili źródłem sygnału dla wzmacniacza, a wzmacniacz obciążeniem (odbiornikiem) dla głośnika. Sytuacja taka jest skutkiem zjawiska nazywanego samoindukcją. Membrana, wraz z jej zawieszeniem, charakteryzuje się pewną inercją, co powoduje, że układ ten nie może zatrzymać się natychmiast i w dowolnym momencie, gdy tylko do głośnika przestanie być doprowadzany sygnał ze wzmacniacza. Ujmując rzecz najprościej, można powiedzieć, że jest to wada głośnika, wynikająca z jego częstotliwości rezonansowej, której skutkiem jest też podbarwienie dźwięku na tej częstotliwości. Jest to zjawisko niekorzystne dla funkcjonowania omawianego układu i dlatego tłumienie powstającej siły elektromotorycznej jest jak najbardziej pożądane. Aby uzyskać wysokie tłumienie układu rezonansowego głośnika, wskazane jest, aby głośnik obciążony był jak najniższą impedancją. Rolę tę spełnia doskonale współpracujący z głośnikiem wzmacniacz.

 

WSPÓŁCZYNNIK TŁUMIENIA

Jeśli przeanalizujemy dane z kart katalogowych różnych wzmacniaczy, zauważamy wśród nich parametr określany mianem „współczynnika tłumienia” (z ang. damping factor). Jest to wielkość niemianowana, wyrażająca stosunek dwóch impedancji – impedancji znamionowej głośnika do impedancji wyjściowej wzmacniacza. Z pozoru interpretacja tego parametru jest prosta, bo im większy jest współczynnik tłumienia, tym lepiej dla współpracy wzmacniacza z głośnikiem. Należy tu oczywiście zaznaczyć, że rozwiązania techniczne służące zmniejszaniu impedancji wyjściowej wzmacniaczy mogą mieć też swoje różne negatywne skutki uboczne. Żeby jednak nie „zagęszczać” omawianego tematu, zagadnienia te proponuję pominąć. Pominę też inne zjawiska związane ze współczynnikiem tłumienia, jak na przykład oddziaływanie siły elektromotorycznej głośników na sam wzmacniacz czy zależność charakterystyki częstotliwościowej przenoszenia od charakterystyki wyjściowej impedancji wzmacniacza oraz impedancji głośnika, bo, jak przecież doskonale wiemy, zarówno impedancja głośnika, jak i wzmacniacza są zależne od częstotliwości.

KONSTRUKCJE PASYWNE

W budowanych obecnie nowoczesnych konstrukcjach wzmacniaczy impedancja wyjściowa jest utrzymywana na poziomie ponad tysiąc razy mniejszym od impedancji głośnika, co w sposób pozytywny oddziaływuje na zachowanie i pracę głośnika. Jednak podstawowym warunkiem, który musi być spełniony, by owo pozytywne oddziaływanie wzmacniacza mogło mieć miejsce, jest to, że pomiędzy wzmacniaczem i głośnikiem nie są umieszczone żadne dodatkowe elementy, które ograniczają ten proces. Takimi elementami ograniczającymi pozytywny wpływ niskiej impedancji wzmacniacza są niestety wszelkie pasywne filtry włączone pomiędzy wyjściem wzmacniacza i głośnikiem, których zadaniem jest wyznaczenie pasma emisji poszczególnych przetworników. Oprócz tego negatywnego wpływu należy mieć na uwadze fakt, że każda kombinacja pasywnych filtrów (potocznie nazywana „zwrotnicą”) wprowadza też spore zniekształcenia. Najmniejsze zniekształcenia powodują zwrotnice o nachyleniu 6 dB/okt. Niestety, w przypadku filtrów o niskim nachyleniu zachodzi duże ryzyko, że jakaś częstotliwość leżąca w pobliżu punktu podziału może być emitowana przez dwa głośniki, co może doprowadzić do mechanicznego uszkodzenia jednego z nich, gdyż niektóre konstrukcje głośników (na przykład dla zakresu średnich lub wysokich częstotliwości) nie są przystosowane do większych wychyleń membrany niż 2 mm.

Niektóre z niekorzystnych zjawisk można wyeliminować, stosując filtry o większym nachyleniu – 12 dB/okt lub 18 dB/okt. Jednak rozwiązanie takie nakręca spiralę innych, trudnych do przewidzenia i wyeliminowania zależności pomiędzy wzajemnym oddziaływaniem zmiennych parametrów głośników i filtrów. Każda zwrotnica wprowadza też przesunięcie fazy, skutkiem czego różne częstotliwości mogą się sumować lub znosić, powodując dodatkowy wzrost zniekształceń.

Bardziej wyrafinowane i rozbudowane układy, składające się z pasywnych filtrów, wymagają wysokiej jakości kondensatorów o dużej pojemności. Spora część producentów w swoich niskobudżetowych rozwiązaniach stosuje niestety kondensatory elektrolityczne bipolarne lub układy kondensatorów elektrolitycznych spolaryzowanych, co wydatnie obniża jakość filtrów, a także pogarsza dźwięk pracujących w danej gałęzi głośników. Za klasyczny przykład może posłużyć tu głośnik odpowiedzialny za przenoszenie średniego zakresu w pasywnych konstrukcjach trójdrożnych, gdyż jest on obarczony wadami aż dwóch filtrów, zawężających jego zakres od dołu i od góry.

Dla wyznaczenia zakresu najwyższego pasma stosowane są najczęściej filtry o nachyleniu 12 lub 18 dB/okt, co z założenia ma również zwiększyć bezpieczeństwo pracy przeznaczonych dla tego zakresu przetworników. Niestety, jak wielokrotnie dowiodło życie, rozwiązanie to nie jest zabezpieczeniem przed niszczącą mocą, którą może w przypadku pasywnej konstrukcji dostarczyć zasilający tę konstrukcję wzmacniacz, doprowadzając do zniszczenia membrany albo też spalenia cewki głośnika. Co więcej – tu ukłon w stronę DJ-ów – filtr nie zabezpiecza również przed szkodliwym sygnałem wychodzącym z silnie przesterowanego mikserka, który powoduje w konsekwencji silne przesterowanie wzmacniacza, a ten wysyła w efekcie sygnał przypominający przebiegiem sygnał prostokątny. Obydwa zbocza takiego sygnału potrafią generować składowe harmoniczne nawet o częstotliwości kilku kiloherców, pomimo tego że częstotliwość podstawowa takiego przebiegu to zaledwie wartość 1 kHz. W przykładowej sytuacji na głośniku wysokotonowym pojawiać się mogą gwałtowne impulsy o bardzo wysokiej amplitudzie, które w sposób mechaniczny potrafią zniszczyć membranę takiego głośnika.

Oprócz wymienionych już mankamentów konstrukcji wykorzystujących układy pasywnych filtrów istnieje jeszcze jedna, bardzo istotna wada. Wadą tą jest nieekonomiczne wykorzystanie mocy wzmacniacza zasilającego zespół głośników wyposażonych w pasywny układ podziału pasma. Nie chcę się tu zagłębiać w jakiekolwiek „wyliczanki”, przeprowadzane dla przykładowego układu. Żeby nie wprowadzać zamieszania, powiem tylko – również w dużym uproszczeniu – że zbalansowanie poziomu głośności poszczególnych przetworników przy podziale pasywnym wymaga zastosowania tłumienia, które ogranicza napięcie doprowadzane do głośnika wysokotonowego. Skutkiem tych zabiegów, zamiast pełnej mocy nominalnej wzmacniacza, pozostaje do dyspozycji tylko jakieś 60- 70% tej mocy. Korzystając z danych katalogowych poszczególnych głośników (jak sprawność oraz impedancja) można dokładnie wyliczyć zakres wymaganej redukcji napięcia dla danego głośnika, a także straty mocy wzmacniacza względem podanej dla niego w karcie katalogowej mocy nominalnej.

KONSTRUKCJE O AKTYWNYM PODZIALE PASMA

W tego typu układach stosuje się aktywne filtry elektroniczne, które umiejscowione są przed wzmacniaczami, co pozwala na uniknięcie wielu opisanych wcześniej problemów – nieodłącznie towarzyszących układom z pasywnym podziałem.

Jedną z ważniejszych zalet jest tu oczywiście bezpośrednia relacja wzmacniacz – głośnik, w której głośnik spotyka się z korzystną dla niego, niską impedancją wyjściową wzmacniacza, a układ ten nie jest dodatkowo obarczony wadami zwrotnicy. Filtry elektroniczne umożliwiają też bardziej precyzyjne dokonanie podziału, oferując uzyskanie nachyleń zbocza rzędu 24, 36 lub 48 dB/okt, a co ważne wprowadzają nieporównywalnie mniejsze zniekształcenia niż najlepiej skonstruowany układ filtrów pasywnych. Podłączone bezpośrednio do wzmacniacza głośniki mogą mieć też różną sprawność oraz impedancję. Łatwiej jest też w tym przypadku zbalansować poziomy poszczególnych głośników. Aktywny podział zwiększa także bezpieczeństwo pracy poszczególnych głośników. Każdy wzmacniacz można bowiem wyposażyć w kompresor/limiter dynamiki, zabezpieczając głośniki przed dostarczeniem zbyt dużej mocy.

Kiedyś, gdy do podziału wykorzystywane były urządzenia analogowe, dla zabezpieczenia głośników stosowano dodatkowe, zewnętrzne kompresory/limitery. W dobie zewnętrznych procesorów cyfrowych oraz zintegrowanych ze wzmacniaczem modułów DSP limiter jest standardem, a jego użycie sprowadza się do wyboru funkcji z listy menu oraz wprowadzenia żądanych wartości parametrów. Wielu producentów procesorów i wzmacniaczy wyposaża te urządzenia w biblioteki gotowych ustawień, dedykowanych dla odpowiednich modeli zespołów głośnikowych.

NA KONIEC

odniosę się jeszcze do stanowiska mojego przypadkowego rozmówcy, o którym wspomniałem na początku.

Jeśli chodzi o prezentowaną przez niego opinię, to przyznaję, że względy ekonomiczne są argumentem, z którym raczej trudno jest polemizować – zwłaszcza w czasach kryzysowych, kiedy większość firm szuka wielokrotnego, racjonalnego uzasadnienia dla każdego wydawanego grosza. Gdyby jednak policzyć realnie koszty wykonania skrzyń transportowych typu rack, zakupu profesjonalnej klasy wzmacniaczy oraz przygotowania odpowiedniej jakości okablowania do monitorów pasywnych, to by się mogło okazać, że koszty te nie są wcale mniejsze od kosztów zakupu monitorów aktywnych – na przykład z wbudowanym blokiem mocy.

Zresztą... usprawiedliwianie się sięganiem po argument, że coś jest „dobre, ale drogie”, jest po prostu śmieszne i niedorzeczne. Powiedzmy to sobie wprost – nie istnieje w Konstytucji ani w jakimkolwiek innym akcie prawnym tego kraju zapis, że musi tu działać 300 lub 200 firm nagłośnieniowych, z czego sporą część stanowią firemki „sezonowe”, dla których zajęcie to nie stanowi głównego źródła przychodu. Firmy te kierują się w życiu „dewizą grabi”, czyli „od siebie nic (a jeśli już, to tylko niezbędne minimum), do siebie natomiast tyle, ile się da”. W myśl tej zasady firmy te latem próbują z rynkowych ofert wydrzeć, co się tylko da, i to za każdą, niekiedy absurdalną cenę. Niektóre z nich sięgają niestety po imprezy nie mieszczące się w ogóle w ich wyobrażeniu profesjonalnych standardów. Może więc lepiej byłoby dla wszystkich, gdyby na rynku funkcjonowało tylko 30 albo 10 firm, a każda realizowała imprezy na miarę swoich sprzętowych możliwości, zapewniając profesjonalny sprzęt oraz jakość oferowanych usług. To, że w tej branży wszystko coraz bardziej „psieje” (nie obrażając w tym momencie poczciwych czworonogów), jest również wynikiem braku świadomości w pewnych elementarnych kwestiach.

Marek Witkowski