W głośnikowym żywiole, część 22.pdf

K U R S

Niezbędnik dla amatorów i profesjonalistów

W głośnikowym żywiole, część 22

Linia transmisyjna, część 2. Obudowa na dobre zakończenie

Pierwsza, opublikowana miesiąc temu, część opisu obudowy

typu „linia transmisyjna” w większości dotyczyła kwestii jej

wytłumienia. Można więc powiedzieć, że zaczęliśmy od końca,

ponieważ wytłumieniu najczęściej poświęca się kilka zdań

na końcu opracowań dotyczących wszelkich innych rodzajów

obudów. Ale linia transmisyjna zawsze była wyjątkiem. Ze

względu na jej zasadę działania, zasadne było przypuszczenie,

że sposób wytłumienia ma bardzo duży wpływ na ostateczne

rezultaty.

cież charakterystykę biegnącą bardziej

liniowo i sięgającą niżej z częstotliwo-

ścią graniczną –3dB, więc i obudowa

powinna być dostrojona niżej, aby

w pełni wykorzystać możliwości gło-

śnika, niż w przypadku zastosowania

głośnika o niższym Q ts . Ale to tylko

ogólnie zarysowane kierunki modyﬁ-

kacji długości tunelu. Na jego rzeczy-

wistą długość wpływ może też mieć

zmiana prędkości dźwięku wywołana

materiałem wytłumiającym.

Potwierdzało to wielu autorów

różnych opracowań, chociaż nigdy

nie przedstawiono wyników komplek-

sowych, porównawczych badań w tej

dziedzinie, a jedynie wyniki pojedyn-

czych eksperymentów. Wobec braku

ścisłych i sprawdzonych procedur pro-

jektowania linii transmisyjnych, z za-

pałem badane były wszelkie elementy

mogące mieć wpływ na ich działa-

nie, a wytłumienie było wdzięcznym

polem do nieskończonej ilości ekspe-

rymentów. Jednak prace Augspurgera

wyjaśniły, że możliwości modyﬁko-

wania charakterystyk poprzez różnego

rodzaju wytłumienie wcale nie są tak

szerokie, jak sądzono wcześniej. Nie-

zależnie od rodzaju użytego materiału,

należy uznać za rozsądny taki stopień

wytłumienia obudowy, aby wyrównać

przebieg charakterystyki przetwarzania,

silnie pofalowany przede wszystkim

na skutek zmieniających się relacji

fazowych między promieniowaniem

głośnika a wylotu tunelu. Nie jest to

jednak możliwe bez równoczesnego

stłumienia rezonansu ćwierćfalowego,

więc uzależnianie długości tunelu,

określającego częstotliwość tego rezo-

nansu, od częstotliwości rezonansowej

głośnika, nie jest celowe.

Jednak jak już wspomnieliśmy, prosta

zależność, że w tunelu powinna ukła-

dać się ćwiartka fali częstotliwości

rezonansowej głośnika, niczego nie

gwarantuje. Podobnie w przypadku

obudowy bas – reﬂeks – dawne prze-

pisy, aby częstotliwość rezonansowa

obudowy f b była równa częstotliwości

rezonansowej głośnika f s , przestały

obowiązywać wraz z wynikami prac

Thiele – Smalla, które położenie f b

względem f s (a także objętość obudo-

wy) uzależniły od innego parametru

głośnika – dobroci Q ts . Tylko dla mo-

delu BB4/SBB4 częstotliwość f b jest

zawsze równa f s , a dla pozostałych

modeli strojenia tylko dla głośników

o dobroci Q ts w okolicach 0,4 dostro-

jenie f b w sąsiedztwie f s jest optymalne

ze względu na kształt charakterystyki

przetwarzania. Dla głośników o dobro-

ci niższej lepsze jest strojenie wyż-

sze (f b >f s ), a dla głośników o dobroci

wyższej powinno być f b <f s (chociaż

z powodu charakterystyk impulsowych

głośniki o Q ts >0,4 w ogóle nie są po-

lecane do bas – reﬂeksu). Można

przypuszczać, że zależność tę powin-

niśmy przenieść na linię transmisyj-

ną. Wyższa dobroć Qt s oznacza prze-

Powierzchnia przekroju linii

Teraz zajmijmy się powierzchnią

membrany. Intuicja podpowiada, że po-

winien być związek między nią a po-

wierzchnią tunelu, w który „pompuje”

powietrze. Kierując się tym wrażeniem,

specjaliści od linii transmisyjnych

przez wiele lat rekomendowali tunele

o powierzchni 1,5…2 x większej od

powierzchni membrany głośnika. Ale

może się też wydawać, że w zaleceniu

tym jest tyle precyzji, co w twierdze-

niu, że dla głośnika o średnicy 18 cm

odpowiednia objętość obudowy za-

mkniętej to 15…20 litrów, a dla 30 cm

– od 50 do 100. Oczywiście wskazów-

ki takie nie mogą zadowolić konstruk-

torów. Dla projektowania obudów za-

mkniętych czy bas – reﬂeks mamy od

dawna do dyspozycji określone wzory,

a dla linii transmisyjnej tylko pomysły

płynące z intuicji. Jeżeli chcemy wyzna-

czyć objętość obudowy zamkniętej lu b

bas – reﬂeks, korzystamy zparametrów

Thiele – Smalla – dobroci Q ts i obję-

tości ekwiwalentnej V as . Do niedawna

parametr V as był zupełnie ignorowany

w projektach linii transmisyjnej, co po-

Tab. 1. Parametry trzech rodzajów linii dla różnych wartości Q ts głośnika

Q ts

Długość linii

Przejdźmy więc do wymiarów li-

nii transmisyjnej. Jaki mają związek

z wielkością i parametrami głośnika?

We wcześniejszych opracowaniach bra-

no pod uwagę przede wszystkim dwa

parametry głośnika – częstotliwość re-

zonansową f s , od której uzależniano

długość tunelu i powierzchnię mem-

brany głośnika, która wpływała na re-

komendowane pole przekroju tunelu.

V as /V p

f s /f p

f 3 /f s

Linia zmniejszająca przekrój

0,36 3,10 0,4 2,0

0,46 2,00 0,5 1,6

0,58 1,20 0,63 1,3

Linia z przesuniętym głośnikiem

0,36 3,10 0,60 2,0

0,46 2,00 0,74 1,6

0,58 1,20 0,94 1,3

Linia z komorą sprzęgającą

0,31 2,14 0,4 2,0

0,39 1,35 0,5 1,6

0,50 0,84 0,63 1,3

Elektronika Praktyczna 8/2005

K U R S

Rys. 108. Trzy podstawowe, polecane geometrie linii transmisyjnej, i związane z nimi charakterystyki przetwarzania: a)

tunel systematycznie zmniejszający swoją powierzchnię ku wylotowi, b) tunel z komorą sprzęgającą bezpośrednio za

głośnikiem, c) tunel z głośnikiem zainstalowanym w odległości 1 / 5 od jego zamkniętego końca

niekąd ma swoje uzasadnienie – sama

podatność zawieszeń nie ma znaczenia

dla głośnika zawieszonego swobodnie

lu b w nieskończonej odgrodzie, za jaką

hipotetycznie można uważać idealną

linię transmisyjną, absorbującą promie-

niowanie tylnej strony membrany bez

wpływu na parametry głośnika. Ale

wracając do samego przekroju tunelu

i jego związku z powierzchnią membra-

ny głośnika – jakimi konsekwencjami

może grozić zbyt mały przekrój? Tu-

taj przypomina się tunel bas – reﬂek-

su, który przy zbyt małej powierzchni

może wywoływać zbyt duże prędkości

przepływu powietrza i wynikające z nich

turbulencje. Dopóki jednak prędkości te

nie powodują nieliniowości pracy ukła-

du rezonansowego i zniekształceń, spe-

cjalnie nie przeszkadzają nam w pracy

obudów z otworem. Ale czy przyspie-

szenie propagacji fal w linii transmisyj-

nej, nawet bez wprowadzania zaburzeń

w przepływie cząsteczek powietrza, nie

wywołuje skutku odwrotnego do spo-

wolnienia fal w przypadku zastosowa-

niu niektórych materiałów tłumiących?

Jeżeli spowolnienie jest zjawiskiem ko-

rzystnym, bo wydłuża akustyczną dłu-

gość, to przyspieszenia należy unikać.

Stąd też zachowanie przekroju tune-

lu o powierzchni nie mniejszej (albo

przynajmniej niewiele mniejszej) niż

powierzchnia membrany głośnika wy-

daje się jednak uzasadnione. W takim

razie żadnych turbulencji tym bardziej

nie musimy się obawiać – nawet przy

głośniku o bardzo dużym wychyleniu

membrany (w tej sprawie rolę odgrywa

wychylenie objętościowe – a więc ilo-

czyn powierzchni i wychylenia mem-

brany), niekorzystne zjawiska o takim

charakterze pojawiłyby się przy tune-

lach o znacznie mniejszej powierzchni.

Augspurgera – badania zachowania

się tuneli o różnych geometriach. To

również nie jest temat nowy, można

nawet powiedzieć, że tyle jest spo-

sobów prowadzenia linii transmisyj-

nej, ile samych konstrukcji tego typu.

Niemal każdy projektant wtrąca tutaj

swoje trzy grosze, i również z powo-

du podatności na innowacje obudowa

tego typu cieszy się wielką sympatią

hobbistów – każdy może się wyka-

zać inwencją, a nawet fantazją. Tym

razem mamy porównanie kilku pod-

stawowych rozwiązań, ale porównanie

bezpośrednie. Najbardziej obiecujące

i godne rozważenia są opcje przedsta-

wione na rys. 108 .

Jak widać, klasyczny tunel o sta-

łym przekroju, z głośnikiem zainsta-

lowanym na jednym końcu, nie jest

uwzględniany jako dobre rozwiązanie

– i faktycznie w takiej formie nie jest

spotykany w zespołach głośnikowych.

Co jest jednak dodatkowo odkrywcze-

go w pracach Augspurgera, a co stoi

w sprzeczności z dotychczasową prak-

tyką, to stwierdzenie, że rozwiązania

łączące elementy przedstawionych

podstawowych geometrii, np. komorę

sprzęgającą z tunelem o zmniejszającym

się przekroju, nie wykazały żadnych

przewag nad rozwiązaniami podsta-

wowymi, a nawet traciły niektóre ich

zalety! Tymczasem wiele znanych kon-

strukcji zawiera w sobie właśnie wię-

cej niż jedno z „udoskonaleń”. Jak się

okazuje, dwa grzyby w barszczu...

Najszerzej wykorzystywany pomysł

tunelu o jednostajnie zmniejszającym

się przekroju pojawił się w związku

z założeniem, że skoro w wytłumionej

linii transmisyjnej zachodzi proce s

stopniowego wygaszania energii od

tylnej strony membrany, to w dalszej

części tunelu energia ta jest mniej-

sza niż w jego początku, co pozwala

zmniejszyć powierzchnię absorbującą

tę energię. Ponadto niektórzy mieli

nadzieję (i ja w swoim czasie pew-

Objętość linii

Mając określoną długość i przekrój

tunelu, wiadoma jest już też obję-

tość, jaką zajmuje, i w takim razie

rzeczywiście nie znajdujemy okazji,

aby uwzględnić parametr V as . Jednak

Augspurger wybiera inną drogę –

uznaje, że skoro przy projektowaniu

innych rodzajów obudów uwzględ-

niany jest V as , musi tak stać się rów-

nież w przypadku linii transmisyjnej.

W przytaczanych wcześniej artykułach

publikowanych w SpeakerBuilder nie

wyjaśnia jednak, na jakiej podsta-

wie zdecydował, że objętość tunelu,

w którym prowadził eksperymenty

z różnego rodzaju wytłumieniem, bę-

dzie dwukrotnie większa od objętości

V as zainstalowanego w niej głośnika.

W dalszym ciągu badań rekomenduje

różne współczynniki V as /V b dla róż-

nych kształtów tunelu i różnych pa-

rametrów głośnika, jednak pojawiają

się one jako wynik poszukiwania naj-

lepszych zmierzonych charakterystyk;

być może więc określone objętości są

wynikiem zastosowania tuneli o opty-

malnych długościach i przekrojach?

Geometria linii

Do tego wrócimy w dalszej czę-

ści, a w tym miejscu dochodzimy do

nie mniej ciekawego momentu prac

Tab. 2. Parametry trzech rodzajów obudów dla różnych wartości Q ts głośnika

Q ts

V as /V p

f 3 /f s

Linia transmisyjna

0,36

3,10

2,0

0,46

2,00

1,6

Obudowa z otworem QB3/SQB3

0,36

1,47

1,36

0,46

0,5

0,92

0,36

2,86

1,96

Obudowa zamknięta Q tc =0,7

0,46

1,36

1,54

Elektronika Praktyczna 8/2005

K U R S

nie też), że uniknięcie równoległości

ścianek będzie zapobiegało falom sto-

jącym, a może nawet stanie na prze-

szkodzie rezonansom wzdłuż linii.

Nadzieje te są jednak płonne (po-

dobnie jak w przypadku lekko stożko-

wych tuneli bas – reﬂeks), ale zwę-

żająca się linia transmisyjna ma inną

zaletę – obniża częstotliwość pod-

stawowego rezonansu ćwierćfalowego

(wyjaśnienie powodów tego efektu nie

zostało przedstawione). Tunel powi-

nien być wytłumiony równomiernie.

Stosunek powierzchni wylotu tunelu

do powierzchni jego początku (przy

głośniku) może wynosić aż 1:4, przy

czym stosunek tych powierzchni do

powierzchni membrany głośnika nie

został określony wprost, ale pośrednio

– poprzez rekomendowaną objętość

tunelu (uzależnioną od Q ts i V as ) i jego

długość (uzależnioną od Q ts i f s ).

Tunel poprzedzony wyraźnie wy-

odrębnioną komorą wykazuje zdol-

ność do lepszego tłumienia wyższych

częstotliwości, a więc jest szansą na

lepsze wyrównanie charakterystyki

przetwarzania. Efekt ten zawdzięcza

powstaniu układu dolnoprzepusto-

wego, analogicznego jak w obudowie

bas – reﬂeks – podatności powietrza

w komorze i masy powietrza w tune-

lu. Augspurger ostrzega jednak przed

wykonaniem zbyt dużej komory, gdyż

może ona wywołać zjawiska rezonan-

sowe... tylko że bez tego zjawiska

rezonansowego nie może być efektu

„samoﬁltrowania”, który ma być zaletą

tego rozwiązania. Ale powtórzmy za

autorem, że jako „bezpieczna” poleca-

na jest komora o objętości 1 / 3 całkowi-

tej objętości obudowy (czyli pozostałe

2 / 3 zajmować będzie sam tunel). Rów-

nież w tym przypadku wytłumieniem

wypełniamy całą obudowę – komorę

i tunel, chociaż wydaje się, że stłumi

to zjawiska rezonansowe, które zamie-

rzaliśmy wykorzystać.

Jeżeli obudowa z wyodrębnioną ko-

morą przybierze taką formę, że przej-

ście między komorą a tunelem nastąpi

w 1 / 3 odległości od głośnika do wylotu

tunelu, powstanie zjawisko rezonanso-

we, które spowoduje wytłumienie fali

o częstotliwości, przy której wcześniej

występowała pierwsza zapadłość na

charakterystyce przetwarzania. Zapa-

dłość ta była wywoływana przesu-

nięciem w fazie między promieniowa-

niem głośnika a wylotu tunelu, więc

wygaszenie pracy tunelu w tym zakre-

sie pozwala na niezakłócone promie-

niowanie samego głośnika.

Podobny efekt można uzyskać bez

wyodrębnionej komory – za pomocą

przesunięcia głośnika w prostym tu-

nelu na pozycję 1 / 5 całkowitej dłu-

gości tunelu. Cena, jaką płacimy

w tym przypadku za uzyskany efekt,

to przeniesienie wyżej częstotliwości

granicznej – nie wykorzystujemy bo-

wiem pełnej długości tunelu dla uło-

żenia w nim fal między głośnikiem

a wylotem. Wytłumienie – bez zmian,

na całej długości linii z jednakową

gęstością, według reguł przedstawio-

nych w pierwszym odcinku.

Linia raczej krótka

Jako podsumowanie swoich badań

Augspurger przedstawia kilka przykła-

dów optymalnych wymiarów linii trans-

misyjnej – dla każdego z jej trzech reko-

mendowanych rodzajów (zmniejszająca

przekrój – w stosunku 4:1; z przesunię-

tym głośnikiem – na 1 / 5 długości tune-

lu; z komorą sprzęgającą – o objętości 1 / 3

całkowitej objętości systemu), w każdym

przypadku dla trzech wartości Q ts zain-

stalowanego głośnika ( tab. 1 ).

Jak widać, długości dwóch pierw-

szych typów linii zostały tak dobrane,

że dla głośników o określonym Q ts i f s

dają one taką samą dolną częstotliwość

graniczną. Jednocześnie częstotliwość ta

obniża się wraz ze wzrostem Q ts , rów-

nież dlatego, że wydłuża się tunel. Jed-

nak w przypadku linii z przesuniętym

głośnikiem tunel musi być w każdym

przypadku o 50% dłuższy, niż tunel

zmniejszający przekrój. Ale nawet naj-

dłuższa wersja tunelu – z przesuniętym

głośnikiem, dla najwyższego Q ts – jest

krótsza, niż obliczona dla ćwiartki

fali częstotliwości rezonansowej (f p >f s ),

natomiast najkrótsza – zmniejszająca

przekrój, dla najniższego Q ts – to tylko

0,4 tej długości. Warto jednak zwrócić

uwagę, że chociaż linia zwężająca się

może być krótsza, to i tak całkowita

objętość tych dwóch typów linii pozo-

staje taka sama (dla głośnika o określo-

nych parametrach).

Swoją odrębność zaznacza natomiast

linia z komorą sprzęgającą. Znamien-

ne jest już, że wybrano dla niej nieco

inne, niższe wartości Q ts , bardziej przy-

pominające te znane z głośników sto-

sowanych w obudowach bas – reﬂeks.

A więc podejrzenie, że linia z komorą

sprzęgającą wykorzystuje zjawisko rezo-

nansowe właściwe dla obudów z otwo-

rem, chyba się potwierdza. Obudowa

z komorą musi mieć większą objętość

w stosunku do dwóch poprzednich ty-

pów (przy głośniku o danych parame-

trach, i tej samej częstotliwości granicz-

nej) – i to niemal dwukrotnie! Ale wy-

Elektronika Praktyczna 8/2005

K U R S

nika to nie z większego przekroju tune-

lu, ale z objętości komory sprzęgającej.

Mimo to nie uzyskujemy premii w po-

staci niższej częstotliwości granicznej.

Wrażenie, że obudowa ta jest w swoim

działaniu może nawet bliższa bas – re-

ﬂeksowi, niż linii transmisyjnej, jest co-

raz większe... Sprawdziłem więc ponow-

nie w tabelkach strojenia bas – reﬂeksu

– stosunek V as /V b dla głośnika z Q ts =0,39,

według modelu QB3, jest bardzo po-

dobny do V as /V p (1,1 vs 1,35), a więc

oznaczający zastosowanie jeszcze trochę

większej obudowy, ale jednocześnie po-

zwala osiągnąć niższą częstotliwość gra-

niczną (f 3 /f s =1,2 vs 1,6).

Parametry konstrukcyjne obudów

z linią transmisyjną, zaserwowane w tej

tabelce, nie obiecują uzyskania ni-

skich częstotliwości granicznych, za

to pozwalają ograniczyć objętość obu-

dowy, w stosunku do obudowy bas

– reﬂeks, a także łatwiej zastosować

głośniki o wyższych wartościach Q ts ;

chociaż wraz z nimi objętość wzrasta,

to w stopniu znacznie mniejszym, niż

dla innych typów obudów, zwłaszcza

bas – reﬂeksu. Przykłady ogranicza-

ją wartość Q ts do 0,58 (a w przypadku

linii z komorą sprzęgającą nawet do

0,5), ale dopuszczalne jest zastosowa-

nie głośników o wyższych wartościach

Q ts – znane są konstrukcje z głośnikami

o wartościach Q ts sięgającymi nawet 1,

czyli z głośnikami które nie mogłyby

znaleźć zastosowania w obudowie żad-

nego innego rodzaju.

wymaga bardzo dużej obudowy, a przy

dobroci głośnika Q ts =0,46 na pewno

wykazuje się słabą odpowiedzią impul-

sową. Dla Q ts =0,46 na ringu zostaje

linia transmisyjna i obudowa zamknięta

Q tc =0,7; obydwie oferują podobną dol-

ną częstotliwość graniczną (obudowa

zamknięta minimalnie niższą), ale linia

transmisyjna to w tym przypadku jednak

wyraźnie mniejsza objętość obudowy, co

jest oczywiście zaletą.

Przy dobroci głośnika Q ts =0,36 li-

nia transmisyjna i obudowa zamknię-

ta Q tc =0,7 idą niemal łeb w łeb. Linia

ponownie może być mniejsza, ale już

tylko nieznacznie, tak jak nieznacznie

niższą częstotliwość graniczną mamy

z obudowy zamkniętej. Ale dobroć na

poziomie 0,36 doskonale pasuje rów-

nież do zastosowania bas – reﬂeksu;

ten musi być ponownie większy od

obudowy zamkniętej i linii transmisyjnej,

ale nie cztery, a „tylko” dwa razy, w za-

mian sprowadzi częstotliwość graniczną

znacznie niżej.

Porównanie to nie wyróżnia linii

transmisyjnej jako obudowy pozwalają-

cej osiągać niską częstotliwość granicz-

ną; ale co może być równie zaskaku-

jące dla miłośników i konstruktorów

tego rodzaju obudowy, linia obliczona

według zaleceń Augspurgera nie będzie

miała nadzwyczajnej wielkości. Jedno

wiąże się z drugim – jak się wydaje,

wiele obudów tego typu było więk-

szych (przede wszystkim dłuższych)

od powyższych propozycji, co pozwa-

lało z nich „wycisnąć” niżej sięgającą

charakterystykę przetwarzania. Dlaczego

więc Augspurger zaproponował krót-

sze linie? Moje podejrzenie kieruje się

w stronę kryterium, wedle którego opty-

malizował swój model. Skupia się na

charakterystyce przetwarzania w dwóch

podstawowych obszarach – zlikwidowa-

nia nierównomierności w wyższym za-

kresie (i podaje, że dla przedstawionych

rodzajów linii, wytłumionych zgodnie

z zaleceniami, ograniczył je do +/1 dB,

co jest wynikiem doskonałym) i okre-

ślenia dolnej częstotliwości granicznej

przy spadku –3 dB. W takiej sytuacji

faktycznie większe długości linii wca-

le nie muszą przesuwać spadku –3dB

w dół skali, ale mogą przesuwać niżej

spadek –6 dB, co nie było chyba brane

pod uwagę (prosty przykład – głośnik

w obudowie zamkniętej z dobrocią Q t-

c =0,5 osiągnie niższą częstotliwość f –6 ,

ale wyższą f –3 , niż w mniejszej obudo-

wie o dobroci Q tc =0,7). Za miesiąc ko-

lejne koncepcje i kolejne wątpliwości...

ale również projekt!

Andrzej Kisiel

Obudowy do wyboru

W tab. 2 przygotowałem krót-

kie porównanie podstawowych para-

metrów dla trzech rodzajów obudów

– linii transmisyjnej (według Augspur-

gera – zmniejszającej przekrój lub

z głośnikiem przesuniętym), z otwo-

rem (według modelu QB3/SQB3)

i zamkniętej (o dobroci Q tc =0,71), w każ-

dym przypadku dla dwóch dobroci Q ts

– 0,36 i 0,46; to wartości często spo-

tykane i pozwalające rozważać zastoso-

wanie głośnika w każdym z tych trzech

typów obudów.

Widać, że wraz z głośnikiem o Q t-

c =0,46, linia transmisyjna pozwala za-

stosować relatywnie niewielką obudowę

– wymaga tylko ¼ objętości potrzebnej

dla bas – reﬂeksu, iok. 2 / 3 objętości dla

obudowy zamkniętej Q tc =0,7, (chociaż

decydując się na obudowę zamkniętą

z Q tc =1, możemy obudowę zredukować

jeszcze radykalniej, oczywiście kosztem

przesunięcia w górę częstotliwości gra-

nicznej). Najniższą częstotliwość granicz-

ną oferuje obudowa bas – reﬂeks, ale

Elektronika Praktyczna 8/2005

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: