Kurs_V2.pdf

K U R S

Niezbędnik dla amatorów i profesjonalistów

W głośnikowym żywiole, część 2

G³oúnikowy triumwirat

ZespÛ³ g³oúnikowy sk³ada siÍ

z†trzech g³Ûwnych obszarÛw - systemu

g³oúnikÛw (przetwornikÛw), zwrotnicy

(filtrÛw) i†obudowy. Obszary te s¹ ze

sob¹ oczywiúcie konstrukcyjnie sprzÍ-

øone, choÊ rÛøne zwi¹zki maj¹ rÛøn¹

si³Í. NiektÛre parametry samych g³oú-

nikÛw niskotonowych decyduj¹ o†ro-

dzaju i†wielkoúci obudowy, natomiast

parametry wszystkich g³oúnikÛw maj¹

udzia³ w†projektowaniu uk³adu filtrÛw

nimi steruj¹cych. Te zwi¹zki s¹ naj-

waøniejsze, choÊ s¹ i†mniej znane,

a†jednak doúÊ istotne. Np. wymiary

przedniej úcianki i†sposÛb rozplanowa-

nia na niej g³oúnikÛw ma wp³yw na

charakterystyki w†zakresie úrednio-wy-

sokotonowym, co z†kolei powinno zo-

staÊ uwzglÍdnione przy projektowaniu

zwrotnicy. W†ten sposÛb obudowa ma

poúrednio zwi¹zek ze zwrotnic¹. Mi-

mo to proces projektowania moøna po-

dzieliÊ na etapy prac prowadzonych

do pewnego stopnia niezaleønie i†rÛø-

nymi metodami, choÊ na widoku trze-

ba mieÊ ca³¹ koncepcjÍ. Nie ma np.

sensu projektowanie obudowy z†nisko-

efektywn¹ lini¹ transmisyjn¹, gdy za-

mierza siÍ zastosowaÊ sekcjÍ úrednio-

wysokotonow¹ z†uøyciem przetworni-

kÛw tubowych o†wysokiej efektywnoú-

ci, tak jak nie jest racjonalne budo-

wanie uk³adÛw czterodroønych z†13-

cm g³oúnikiem niskotonowym w†ma³ej

konstrukcji podstawkowej, albo wrÍcz

przeciwnie - uruchamianie baterii

kilkunasotcalowych wooferÛw, pod-

czas gdy do dyspozycji mamy tylko

jeden ma³y g³oúnik úredniotonowy (i

oczywiúcie wysokotonowy), a†tym bar-

dziej gdy jest to tylko tweeter. Przy-

Po wstÍpnym zachÍcaj¹co-zniechÍcaj¹cym eseju, zamieszczonym

w†poprzednim numerze EP, powoli przechodzimy do praktyczno-

technicznych wskazÛwek dla amatorÛw samodzielnego

konstruowania zespo³Ûw g³oúnikowych. Nigdzie nie bÍdziemy

epatowaÊ teori¹, rÛwnaniami, modelami, itp., ktÛre nie znajduj¹

zastosowania w†dzia³aniach konstruktora zespo³u g³oúnikowego.

RozpÍdzaÊ bÍdziemy siÍ stopniowo. W†tym numerze rozbierzemy

zespÛ³ g³oúnikowy na najwaøniejsze czÍúci. Powstrzymamy siÍ od

schematÛw, wzorÛw, choÊ w†samym opisie bÍdziemy siÍ juø do

pewnych zaleønoúci odnosiÊ. LekcjÍ tÍ mog¹ sobie darowaÊ

konstruktorzy juø obeznani z†podstawowymi faktami. Ale moøe

zabrniemy w†jakieú ciekawostki... zarazem nowe spojrzenie

nawet na elementarne problemy moøe okazaÊ siÍ poøyteczne.

k³ady konfiguracji absurdalnych moø-

na mnoøyÊ, chociaø czasami pewne

rozwi¹zania absurdalnymi nie s¹, mi-

mo øe na takie pozornie wygl¹daj¹.

Dopiero dok³adniejsze wejrzenie we

w³aúciwoúci zastosowanych przetwor-

nikÛw stawia we w³aúciwym úwietle

zamierzenia i†umiejÍtnoúci konstrukto-

ra. Na przyk³ad najlepsza podstaw-

kowa konstrukcja firmy KEF, model

Reference 201, jest aø czterodroøna -

zawiera 18-cm g³oúnik niskotonowy,

18-cm nisko-úredniotonowy sprzÍøony

z†25-mm kopu³k¹ wysokotonow¹ w†ra-

mach wspÛ³osiowego podsystemu

ìUni-Qî, a†na szczycie jeszcze 19-

mm kopu³kÍ superwysokotonow¹.

Z†drugiej strony moøna spotkaÊ uk³a-

dy dwudroøne pos³uguj¹ce siÍ 20,

a†nawet 25-cm g³oúnikami nisko-úred-

niotonowymi, co wymaga od nich wy-

j¹tkowo (jak na ich wielkoúÊ) daleko

siÍgaj¹cych dostatecznie liniowych cha-

rakterystyk przetwarzania, a†takøe wy-

sokiej wytrzyma³oúci g³oúnika wysoko-

tonowego, aby mÛc ustaliÊ nisk¹ czÍs-

totliwoúÊ podzia³u.

Tworzenie takich i†innych egzotycz-

nych uk³adÛw wymaga doskona³ej zna-

jomoúci stosowanych przetwornikÛw,

doúwiadczenia i†wyczucia, i†nie powin-

no byÊ rozwaøane przez pocz¹tkuj¹-

cych konstruktorÛw. A†przecieø zagalo-

powaliúmy siÍ juø niechc¹cy w†termi-

nologiÍ nieznan¹ pocz¹tkuj¹cym (czÍs-

totliwoúÊ podzia³u, superwysokotono-

wy, uk³ad wspÛ³osiowy...), wrÛÊmy do

podstaw i†wyjaúnienia, dlaczego

w†ogÛle mamy do czynienia z†zespo³a-

mi g³oúnikowymi, a†nie pojedynczymi

g³oúnikami; jaka jest rola zwrotnicy,

a†jaka obudowy.

T¹ drog¹ teø dojdziemy do pytaÒ

i†problemÛw.

Dlaczego nie solo?

Praktycznie nie istnieje pojedynczy

g³oúnik zdolny z†satysfakcjonuj¹co nis-

kimi zniekszta³ceniami przetwarzaÊ ca-

³e pasmo akustyczne. W†tanich urz¹-

dzeniach (np. tanie radioodbiorniki)

spotykamy pojedyncze g³oúniki, ale

oczywiúcie ma to zwi¹zek ze zgod¹

na nisk¹ jakoúÊ brzmienia. WiÍkszy

k³opot sprawia zinterpretowanie jakoú-

ci nielicznych egzotycznych i†bardzo

kosztownych przetwornikÛw szeroko-

pasmowych (np. Lowther), ktÛre wy-

wo³uj¹ apaluz pewnej czÍúci audiofi-

lÛw i†hobbistÛw. Rzeczywiúcie, niektÛ-

rym firmom uda³o siÍ opracowaÊ g³oú-

niki szerokopasmowe brzmi¹ce na tyle

interesuj¹co, øe stanowi¹ one ciekaw¹,

ale marginaln¹ alternatywÍ†dla zespo-

³Ûw g³oúnikowych. Nie siÍgaj¹ one ìod

dwudziestu do dwudziestuî, maj¹c

k³opoty z†przetwarzaniem zarÛwno naj-

niøszych, jak i†wysokich tonÛw, maj¹

niskie moce, ale doskona³¹ spÛjnoúci¹

brzmienia, wynikaj¹c¹ z†samej swojej

ìniezespo³owejî natury, w†pewien spo-

sÛb rekompensuj¹ te niedoci¹gniÍcia.

KEF 207 − rzadko spotykane

połączenie układu aż czterodrożnego

z małą obudową podstawkową

Raczej w†duecie

Powszechn¹ popularnoúÊ zdoby³o

konstruowanie wielodroønych zespo³Ûw

g³oúnikowych, z†g³oúnikÛw wyspecjali-

zowanych w†przetwarzaniu rÛønych za-

kresÛw pasma. Wystarcz¹ juø dwa

g³oúniki, aby stworzyÊ pe³nopasmowy

zespÛ³ g³oúnikowy - bÍd¹ to g³oúniki

nisko-úredniotonowy i†wysokotonowy,

a†zespÛ³ taki nazwiemy dwudroønym.

Dwudroøne zespo³y g³oúnikowe maj¹

dzisiaj pozycjÍ dominuj¹c¹, chociaø

jeszcze niedawno wydawa³o siÍ, øe

dopiero zespo³y trÛjdroøne - czyli

z†wyrÛønionymi g³oúnikami niskotono-

wym, úredniotonowym i†wysokotono-

Elektronika Praktyczna 12/2003

K U R S

prostszy od trÛjdroønego, poniewaø nie

zawiera filtru dolnozaporowego dla

g³oúnika nisko-úredniotonowego. Zespo-

³y dwuipÛ³droøne s¹ obecnie bardzo

popularne i†w†duøym stopniu zast¹pi³y

zespo³y trÛjdroøne. Znowu wdepnÍliú-

my w†temat filtrÛw, ale akurat w†dob-

rym momencie.

ZespÛ³ dwudroøny z†tak skromnym

filtrem najprawdopodobniej bÍdzie

brzmia³ bardzo u³omnie (odzywaÊ siÍ

bÍdzie obarczony zniekszta³ceniami za-

kres charakterystyki g³oúnika nisko-

úredniotonowego), ale ostatecznie

moøe†dzia³aÊ w†miarÍ bezpiecznie

(chociaø tak proste filtrowanie g³oúni-

ka wysokotonowego nie zabezpiecza go

tak dobrze, jak filtry wyøszego rzÍdu).

Znan¹ brytyjsk¹ firm¹ g³oúnikow¹

uprawiaj¹c¹ taki skrajny minimalizm

jest Epos, ktÛrego przynajmniej daw-

niejsze konstrukcje (wspÛ³czesne moøe

juø nie) mia³y zwrotnicÍ sk³adaj¹c¹ siÍ

w³aúnie z†jednego tylko kondensatora;

nie by³ to wyraz sk¹pstwa, ale kon-

cepcji, i†pod tym k¹tem przygotowy-

wano charakterystyki samego g³oúnika

niskotonowego. Zupe³nie inn¹ genezÍ

maj¹ niektÛre bardzo niskiej klasy

konstrukcje, w†ktÛrych takie rozwi¹za-

nie wypada t³umaczyÊ tylko chÍci¹

obniøenia kosztÛw. Wreszcie moøna

zrozumieÊ taki uk³ad jako pierwsze

kroki hobbisty lub prowizorkÍ.

Zanim dalej bÍdziemy wnikaÊ

w†tajniki filtrowania, spÛjrzmy dok³ad-

niej na same g³oúniki i†ustalmy, jakie

ich cechy konstrukcyjne i†parametry

okreúlaj¹, w†jakich zakresach powinny

byÊ stosowane.

Legacy Focus 20 − potężna

konstrukcja pięciodrożna

Trzeba z†tym zrobiÊ porz¹dek

Stwierdziliúmy, øe pojedynczy g³oú-

nik nie moøe przetwarzaÊ ca³ego pas-

ma akustycznego - uwaga - z†satysfak-

cjonuj¹co niskimi zniekszta³ceniami.

Oznacza to, øe aplikuj¹c go do zespo-

³u g³oúnikowego, naleøy†odfiltrowaÊ te

czÍúci pasma, ktÛre przetwarza ze zbyt

wysokimi zniekszta³ceniami. Jednoczeú-

nie naleøy podzieliÊ pasmo pomiÍdzy

g³oúniki zastosowane w†zespole i†naj-

czÍúciej unikaÊ szerokich zakresÛw,

w†ktÛrych dwa rÛøne g³oúniki pracuj¹

rÛwnoczeúnie. Zalecenie to najlepiej

spe³niaj¹ filtry wysokiego rzÍdu, to

znaczy charakteryzuj¹ce siÍ stromymi

zboczami charakterystyk. Ale... ich sto-

sowanie niesie ze sob¹ jednak inne

komplikacje, o†ktÛrych dalej, natomiast

naj³agodniejsze filtry 1. rzÍdu (spadek

6†decybeli na oktawÍ), teø maj¹ swoje

zalety, ktÛre sk³aniaj¹ wielu konstruk-

torÛw do ich stosowania. Tutaj rozpo-

czyna siÍ terytorium sporÛw i†rÛønych

idei, jakie filtry stosowaÊ, jednak ma³o

kto ma w¹tpliwoúci, øe w†ogÛle s¹

one konieczne. Sytuacje, w†ktÛrych je-

den z†g³oúnikÛw†nie wymaga filtrowa-

nia, bowiem jego charakterystyka prze-

twarzania samoistnie opada w†wymaga-

nym dla systemu zakresie, s¹ niezwyk-

le rzadkie, a†i†tak kontrowersyjne.

Bior¹c na przyk³ad prosty uk³ad

dwudroøny zwrÛÊmy teø uwagÍ, øe nie-

co inne powody dyktuj¹ sposÛb filtro-

wania g³oúnika nisko-úredniotonowego,

a†inne wysokotonowego (a†generalnie, in-

ne powody okreúlaj¹ filtrowanie dolno-

przepustowe, a†inne gÛrnoprzepustowe).

Z†g³oúnikiem nisko-úredniotonowym spra-

wa jest prostsza - tak jak wspomnieliú-

my, zamierzamy zostawiÊ w†jego prze-

twarzaniu tylko ten zakres, ktÛry obs³u-

guje poprawnie. W†przypadku g³oúnika

wysokotonowego powody s¹ bardziej

z³oøone. OprÛcz tego, ktÛry dotyczy wy-

odrÍbnienia zakresu przetwarzanego

z†najlepsz¹ jakoúci¹, drugi odnosi siÍ do

wytrzyma³oúci g³oúnika wysokotonowego.

G³oúnik wysokotonowy trzeba filtrowaÊ

(gÛrnoprzepustowo) juø tylko z†tego po-

wodu, øe nie uczynienie tego narazi³o-

by go na zniszczenie. W†ten sposÛb

w†odfiltrowanej czÍúci pasma bardzo

czÍsto g³oúnik wysokotonowy wykazuje

siÍ jeszcze ³adn¹ charakterystykÍ, z†ktÛ-

rej jednak nie korzystamy, ze wzglÍdu

na jego bezpieczeÒstwo. Dlatego pierw-

szym, absolutnie niezbÍdnym elementem

w†zwrotnicy jest kondensator jako naj-

prostszy filtr gÛrnoprzepustowy dla g³oú-

nika wysokotonowego (owe anegdotycz-

ne 4,7

wym - mog¹ byÊ uznawane ze ze-

spo³y†wysokiej klasy. Zespo³y trÛjdroø-

ne nie zniknÍ³y, podaliúmy nawet

przyk³ad zespo³u czterodroønego,

a†zdarzaj¹ siÍ i†piÍciodroøne, jednak

nie naleøy s¹dziÊ, øe wraz ze zwiÍk-

szaniem iloúci ìdrÛgî automatycznie

i†bezproblemowo podnosi siÍ jakoúÊ

zespo³u g³oúnikowego. WielodroønoúÊ

zespo³u powinna byÊ dobrze umotywo-

wana. Mimo øe nie istnieje idealny

g³oúnik szerokopasmowy, to w³aúnie

funkcjonowanie takiego hipotetycznego

g³oúnika jest spe³nieniem wszystkich

postulatÛw dotycz¹cych wysokiej jakoú-

ci przetwarzania. WielodroønoúÊ uk³a-

du nie powinna byÊ celem samym

w†sobie, ale tylko sposobem dla uzys-

kania optymalnych parametrÛw prze-

twarzania. Moøna nawet powiedzieÊ, øe

jes to z³o konieczne. Komplikowanie

uk³adu niesie bowiem ze sob¹ proble-

my, ktÛre nawet umiejÍtnie rozwi¹zy-

wane, pozostawiaj¹ pewne úlady. MÛ-

wi¹c krÛtko, trzeba wiedzieÊ dlaczego

i†po co buduje siÍ uk³ad wiÍkszy niø

dwudroøny, a†w†myúleniu pocz¹tkuj¹ce-

go konstruktora projektowanie uk³adu

dwudroønego, ewentualnie dwuipÛ³droø-

nego, powinno byÊ spraw¹ oczywist¹.

Co to jest uk³ad dwuipÛ³droøny? Jak

nazwa wskazuje, to uk³ad poúredni

miÍdzy dwudroønym a†trÛjdroønym. Po-

wstaje przez dodanie do uk³adu dwu-

droønego dodatkowego g³oúnika nisko-

tonowego, a†od uk³adu trÛjdroønego

rÛøni siÍ tym, øe zamiast g³oúnika

úredniotonowego, dzia³a w†nim g³oúnik

nisko-úredniotonowy, tak jak niskotono-

wy przetwarzaj¹cy, oprÛcz úrednich to-

nÛw, takøe niskie tony. Uk³ad taki jest

D³ugoúÊ fal?

Wracamy do pocz¹tkowego problemu

i†pytania - dlaczego pojedynczy g³oúnik

nie moøe przetwarzaÊ ca³ego pasma

akustycznego? Moglibyúmy tutaj przed-

stawiaÊ skomplikowan¹ teoriÍ, ale pÛj-

dziemy na skrÛty. Przede wszystkim na-

sze obserwacje ograniczymy do prze-

twornikÛw dynamicznych (magnetoelekt-

rycznych), ktÛre s¹ najpopularniejszym

typem g³oúnikÛw spotykanym w†kolum-

nach. Do typu tego naleø¹ zarÛwno du-

øe g³oúniki niskotonowe, jak i†ma³e ko-

pu³ki wysokotonowe. Juø na pierwszy

rzut oka widaÊ, øe g³oúniki maj¹ce za

zadanie przetwarzaÊ czÍstotliwoúci naj-

niøsze, s¹ znacznie wiÍksze od przetwa-

rzaj¹cych czÍstotliwoúci najwyøsze. Jest

tu analogia do instrumentÛw muzycz-

nych - stopa perkusji jest wiÍksza od

werbla, a†kontrabas od skrzypiec, a†kaø-

da grubsza struna wydaje düwiÍki niø-

sze niø cieÒsza, i†tym niøsze, na im

niøszych progach gramy (a wiÍc im

d³uøsza czÍúÊ struny jest aktywna). Ma

to zwi¹zek z†d³ugoúciami fal - im niø-

sze czÍstotliwoúci, tym s¹ d³uøsze - ale

nie tylko. Przecieø kilkunastocentymet-

rowe membrany typowych g³oúnikÛw

nisko-úredniotonowych przetwarzaj¹ czÍs-

totliwoúci poniøej 100 Hz, nawet jeøeli

nie 20 Hz, to przynajmniej 50 Hz. A†50

Hz to fala o†d³ugoúci prawie 7†metrÛw!

z†moich wspomnieÒ sprzed

Powierzchnia i†amplituda!

Umiarkowana úrednica membrany

nie jest wiÍc bezwzglÍdn¹ przeszkod¹

dla przetwarzania niskich czÍstotliwoú-

ci, chociaø im wiÍksza úrednica i†po-

wierzchnia, tym ³atwiej to zadanie

miesi¹ca).

Elektronika Praktyczna 12/2003

K U R S

spe³niaÊ. Jest wiÍc zwi¹zek miÍdzy po-

wierzchni¹ membrany a†czÍstotliwoúcia-

mi, jakie maj¹ byÊ przez ni¹ przetwa-

rzane, ale zwi¹zek ten zawiera jeszcze

jeden czynnik - amplitudÍ, z†jak¹ mem-

brana moøe pracowaÊ. OtÛø powierzch-

nia membrany i†jej amplituda ìwspÛ³-

pracuj¹î, i†mniejsza powierzchnia mem-

brany moøe byÊ rekompensowana przez

wiÍksz¹ amplitudÍ, i†odwrotnie. Osta-

tecznie dla zdolnoúci przetwarzania

najniøszych czÍstotliwoúci znaczenie ma

jak najwiÍksze ìwychylenie objÍtoúcio-

weî, czyli iloczyn powierzchni memb-

rany i†jej maksymalnej amplitudy. Dla-

czego? I†dlaczego nie jest to tak po-

trzebne przetwarzaniu wysokich tonÛw?

Poniewaø dla ciúnienia akustyczne-

go liczy siÍ powierzchnia membrany

i†prÍdkoúÊ jej ruchu. Wysokie tony,

czyli wysokie czÍstotliwoúci drgaÒ,

wytwarzaj¹ wysok¹ energiÍ fali dziÍki

wysokim prÍdkoúciom; nawet gdy ruch

ten odbywa siÍ na ma³ej amplitudzie,

to przecieø 20 tysiÍcy cykli na sekun-

dÍ oznacza ogromne prÍdkoúci. Chc¹c

osi¹gn¹Ê porÛwnywalne przyspieszenia

przy 20 cyklach na sekundÍ, trzeba

stworzyÊ warunki do pracy ze znacz-

nie wiÍkszymi amplitudami, i†posi³ko-

waÊ siÍ zwiÍkszaniem powierzchni

membrany. Teoretycznie, gdyby moøna

by³o skonstruowaÊ 25-mm úrednicy

g³oúnik kopu³kowy o†amplitudzie po-

wiedzmy jednego metra, g³oúnik taki

mÛg³by przetwarzaÊ niskie tony.

O†ile... jest jeszcze jeden warunek dla

moøliwoúci przetwarzania niskich to-

nÛw - czÍstotliwoúÊ rezonansowa uk³a-

du drgaj¹cego g³oúnika.

Czyli im wiÍksza masa i†(lub) po-

datnoúÊ, tym niøsza czÍstotliwoúÊ re-

zonansowa. Przy czÍstotliwoúci tej za-

chodz¹ tajemnicze zjawiska, ktÛrych

teoriÍ juø sobie darujemy, bowiem

waøne jest dla nas przede wszystkim

to, øe poniøej czÍstotliwoúci rezonan-

sowej g³oúnik szybko traci zdolnoúÊ

efektywnego przetwarzania (jego cha-

rakterystyka opada). Aby granica ta le-

øa³a jak najniøej, czÍstotliwoúÊ rezo-

nansowa powinna byÊ jak najniøsza,

a†wiÍc podatnoúÊ zawieszeÒ i†masa

membrany g³oúnika powinny byÊ du-

øe. Dlatego teø nasza hipotetyczna 25-

milimetrowa kopu³ka, aby przetwarzaÊ

niskie czÍstotliwoúci, powinna nie tyl-

ko pracowaÊ na duøych amplitudach,

ale i†mieÊ nisk¹ czÍstotliwoúÊ rezonan-

sow¹ - wielokrotnie wiÍksz¹, niø

zwykle kopu³ki maj¹. St¹d teø widaÊ,

dlaczego ma³e g³oúniki nie potrafi¹

przetwarzaÊ niskich czÍstotliwoúci -

maj¹ zarÛwno zbyt ma³e wychylenia

amplitudowe (przypominam - powierz-

chnia membrany x†jej amplituda), jak

i†zbyt wysokie czÍstotliwoúci rezonan-

sowe (przypominam - jeden nad pier-

wiastek z†iloczynu masy i†podatnoúci

jej zawieszeÒ). Opanowanie myúlowe

tych zawi¹zkÛw otwiera drogÍ do ro-

zumienia kolejnych zaleønoúci, dlatego

warto w†to w³oøyÊ trochÍ wysi³ku.

Podzielona na dwie płytki

skomplikowana zwrotnica układu

pięciodrożnego

nie daj¹ gwarancji rzeczywiúcie skutecz-

nej pracy w†zakresie niskich czÍstotli-

woúci. Wyobraümy sobie przyk³ad od-

wrotny - g³oúnik o†duøej powierzchni

membrany i†duøej amplitudzie maksy-

malnej, ktÛremu konstruktor ustali³ jed-

nak, np. za pomoc¹ sztywnego zawie-

szenia (ma³a podatnoúÊ), wysok¹ czÍs-

totliwoúÊ rezonansow¹. Charakterystyka

przetwarzania takiego g³oúnika wykaøe

wiÍc wczesny spadek w†zakresie niskich

tonÛw, a†dostarczanie do niego nawet

duøej mocy w†zakresie niskich tonÛw

nie doprowadzi do duøych wychyleÒ

i†wykorzystania jego moøliwoúci ampli-

tudowych - g³oúnik bowiem jest zbyt

mocno ìtrzymanyî przez zawieszenie.

Dlatego przy konstruowaniu i†wybieraniu

g³oúnika niskotonowego czy nisko-úred-

niotonowego, naleøy uchwyciÊ w³aúciwe

proporcje miÍdzy czÍstotliwoúci¹ rezo-

nansow¹ a†wychyleniem objÍtoúciowym.

Gdzieú dalej zajmiemy siÍ tym, øe

okreúlaj¹c czÍstotliwoúÊ rezonansow¹

trzeba umiejÍtnie dobraÊ masÍ i†podat-

noúÊ, a†okreúlaj¹c wychylenie objÍtoúcio-

we - powierzchniÍ i†amplitudÍ.

Rezonujemy dalej...

Rozgryümy wiÍc tÍ sprawÍ do koÒ-

ca, a†bÍdziemy mieli j¹ z†g³owy. Na-

úwietlmy te zwi¹zki jeszcze inaczej.

OtÛø czÍstotliwoúÊ rezonansowa g³oú-

nika wp³ynie jednoznacznie na jego

charakterystykÍ przetwarzania, ale na

charakterystyce tej nie ujrzymy moøli-

woúci g³oúnika w†zakresie wychylenia

objÍtoúciowego! Czy nie ma tu

sprzecznoúci? Przecieø powiedziano, øe

wychylenie objÍtoúciowe okreúla moø-

liwoúci pracy przy niskich czÍstotli-

woúciach? Tak, ale badanie charakte-

rystyki przetwarzania przeprowadza siÍ

zwykle przy niskim poziomie sygna³u

wejúciowego, ktÛry nie ujawnia, jak

duø¹ moc g³oúnik jest zdolny przyj¹Ê.

Moøna wiÍc zbudowaÊ ma³y g³oúnik

niskotonowy (o niewielkiej powierzchni

membrany i†niewielkiej dopuszczalnej

amplitudzie), ktÛry dziÍki duøej masie

membrany i†podatnoúci zawieszeÒ bÍdzie

mia³ nisk¹ czÍstotliwoúÊ rezonansow¹,

a†wskutek tego charakterystykÍ przetwa-

rzania (mierzon¹ przy niskim sygnale

steruj¹cym) siÍgaj¹c¹ najniøszych czÍstot-

liwoúci. Jednak juø moc nieco wiÍksza

niø zawarta w†dotychczasowym sygnale

steruj¹cym, ale w†sumie wcale nie taka

duøa, powiedzmy kilka watÛw, spowo-

duje øe na g³oúniku wymuszane bÍd¹

amplitudy znacznie wiÍksze, niø jest on

w†stanie bez przesterowania osi¹gaÊ.

MÛwi¹c øargonem, jego uk³ad drgaj¹cy

bÍdzie szybko ìwypluwanyî. Taki g³oú-

nik specjalnie nam siÍ nie przyda, sa-

ma niska czÍstotliwoúÊ rezonansowa

i†³adna charakterystyka przetwarzania

Zaczynamy rezonowaÊ

W†ten parametr trochÍ siÍ wgryzie-

my, bowiem bÍdzie on nam w†przy-

sz³oúci pomocny. Kaødy uk³ad mecha-

niczny, w†ktÛrym funkcjonuje masa

i†podatnoúÊ (zawieszenie), albo uk³ad

elektryczny, w†ktÛrym wystÍpuje in-

dukcyjnoúÊ†(cewka) i†pojemnoúÊ (kon-

densator), charakteryzuje siÍ czÍstotli-

woúci¹ rezonansow¹, odwrotnie propor-

cjonaln¹ do pierwiastka z†iloczynu ma-

sy i†podatnoúci.

Dość prosta, ale nie minimalistyczna,

typowa zwrotnica dla układu

dwudrożnego

Dlaczego niskotonowy nie

moøe byÊ wysokotonowym?

Dlaczego ma³y g³oúnik, o†ma³ej ma-

sie membrany, ma³ej jej powierzchni

i†wychyleniu, nie jest zdolny przetwa-

rzaÊ niskich czÍstotliwoúci - juø wie-

my. Dlatego teø g³oúniki szerokopasmo-

we bardziej przypominaj¹ g³oúniki nis-

kotonowe i†nisko-úredniotonowe, niø

wysokotonowe kopu³ki. Dlaczego jed-

nak duøy czy choÊby úredniej wiel-

koúci g³oúnik nie jest w†stanie prze-

Elektronika Praktyczna 12/2003

K U R S

Głośnik wysokotonowy cieszy się

z tego, że ma membraną małą

i lekką. I w dodatku nie musi ona

pracować przy dużych wychyleniach

chodzenia siÍ fal w†membranie (im

wyøsza, tym lepiej, bowiem wtedy fa-

le okreúlonej czÍstotliwoúci s¹ d³uøsze

i†ich relacja do úrednicy membrany siÍ

poprawia), jej sztywnoúci (zwykle idzie

w†parze z†wysok¹ prÍdkoúci¹ rozcho-

dzenia siÍ fali, ponadto do pewnego

momentu to czynnik sprzyjaj¹cy utrzy-

maniu pracy wedle zasady ìsztywnego

t³okaî, ale powyøej powoduj¹cy gwa³-

towne zjawiska rezonansowe), i†wresz-

cie od t³umienia wewnÍtrznego (wpro-

wadza ono t³umienie tych rezonansÛw,

ale trudno membranÍ o†wysokim t³u-

mieniu uczyniÊ sztywn¹). Dzielenie siÍ

membrany powoduje, øe†rÛøne jej frag-

menty pracuj¹ z†rÛønymi fazami,

i†w†po³¹czeniu z†przedstawionymi prob-

lemami ìgeometrycznymiî powoduje

to, øe charakterystyka staje siÍ mniej

lub bardziej poszarpana. Gdy jeszcze

przywo³amy problem masy, powoduj¹-

cy spadek zdolnoúci przetwarzania,

charakterystyka ostatecznie opada i†to

w†sposÛb zwykle daleki od spokojnego

zbocza 6†dB/okt. A†i†to jeszcze nie

wszystko. Wraz ze wzrostem czÍstotli-

woúci, g³oúnik zaczyna skupiaÊ pro-

mieniowanie na osi g³Ûwnej... Co z†te-

go wynika dla projektowania zwrotnic,

zostawimy juø na kiedy indziej. Teraz

wychodzimy z†tego g¹szczu problemÛw

upewnieni, øe g³oúnik zaprojektowany

jako niskotonowy czy nisko-úrednioto-

nowy, nie jest w†stanie przetwarzaÊ

czÍstotliwoúci wysokich, i†to z†wielu

powodÛw. G³oúnik wysokotonowy nie

tylko bowiem moøe, ale i†powinien

mieÊ membranÍ o†ma³ej úrednicy i†jak

najmniejszej masie.

W dobrze skonstruowanym głośniku

niskotonowym niska częstotliwość

rezonansowa powinna iść w parze

z dużym wychyleniem objętościowym.

Tylko wówczas charakterystyka

przetwarzania będzie sięgała niskich

częstotliwości, i głośnik będzie je

w stanie odtwarzać przy wysokich

poziomach natężenia

twarzaÊ czÍstotliwoúci wysokich? Tym

razem zwi¹zek miÍdzy úrednic¹ mem-

brany a†d³ugoúci¹ promieniowanych fal

jest juø wyraüny, ale nadal ma zna-

czenie rÛwnieø masa membrany. Po-

wyøej czÍstotliwoúci rezonansowej

uk³ad drgaj¹cy jest uk³adem bezw³ad-

noúciowym, wiÍc masa membrany

ogranicza prÍdkoúÊ jej ruchu wraz ze

wzrostem czÍstotliwoúci. Utrzymanie

w†miarÍ p³askiej charakterystyki prze-

twarzania w†szerokim zakresie powyøej

czÍstotliwoúci rezonansowej za-

wdziÍczamy jednak poprawiaj¹cej siÍ

relacji miÍdzy úrednic¹ membrany

a†d³ugoúci¹ promieniowanych przez ni¹

fal (poprawia siÍ tzw. rezystancja pro-

mieniowania). Kiedy d³ugoúÊ fali (roz-

chodz¹cej siÍ w†powietrzu) przestaje

byÊ wyraünie wiÍksza od úrednicy

membrany, zwiÍksza siÍ efektywnoúÊ.

Ale ze zjawiska tego moøemy korzys-

taÊ tylko do pewnego momentu, a†po-

nadto, kiedy d³ugoúÊ fali (rozchodz¹-

cej siÍ w†membranie) staje siÍ†tak ma-

³a, øe zbliøa siÍ do jej úrednicy, za-

czynaj¹ siÍ nowe k³opoty. Przetwarza-

j¹c fale d³uøsze, membrana zachowuje

siÍ jak sztywny t³ok, lub bardzo po-

dobnie. Oznacza to, øe ca³a†jej po-

wierzchnia pracuje w†tej samej fazie,

a†poniewaø fale (w powietrzu) s¹ wy-

raünie d³uøsze niø rÛønice odleg³oúci

od poszczegÛlnych czÍúci membrany (o

kszta³cie nawet bardzo g³Íbokiego stoø-

ka), st¹d ciúnienie przed membran¹

jest stabilne w†funkcji czÍstotliwoúci.

Dla krÛtkich fal nastÍpuj¹ komplikacje

wynikaj¹ce z†dwÛch podstawowych po-

wodÛw. Z†samej stoøkowej geometrii

membrany wynika, øe†nawet gdyby

wszystkie jej fragmenty porusza³y siÍ

w†sposÛb skoordynowany, to rÛønice

w†odleg³oúciach od poszczegÛlnych

czÍúci membrany do punktu oddalone-

go od g³oúnika, bÍd¹ powodowa³y ich

przesuniÍcia w†fazie i†zaburzenia cha-

rakterystyki wypadkowej. Na dodatek

membrana przestaje pracowaÊ jak

sztywny t³ok. Fale rozchodz¹ce siÍ

w†niej zaczynaj¹ j¹ wyginaÊ, co nazy-

wa siÍ zjawiskiem ìdzieleniaî memb-

rany. S¹†to zjawiska niezwykle skom-

plikowane, zaleøne od prÍdkoúci roz-

bliskie zeru. Dopiero przy czÍstotli-

woúciach, ktÛrych fale maj¹ d³ugoúÊ

porÛwnywaln¹ ze úrednic¹ membrany,

chociaø ciúnienia na osiach g³Ûwnych

przed i†za g³oúnikiem zawsze bÍd¹ po-

zostawaÊ w†przeciwnych fazach, to juø

ìobieganieî fali dooko³a g³oúnika spo-

woduje jej przesuniÍcia w†fazie, i†in-

terferencjÍ z†fal¹ promieniowan¹ przez

przeciwn¹ stronÍ membrany w†sposÛb

mog¹cy dawaÊ niezerowe ciúnienie

wypadkowe. Dlatego teø z†g³oúnika

niezabudowanego s³yszymy úrednie to-

ny, a†nie s³yszymy basu. Aby us³yszeÊ

bas, trzeba zlikwidowaÊ fazow¹ kolizjÍ

miÍdzy prac¹ przedniej i†tylnej strony

membrany. Oczywiúcie nie da siÍ tego

zrobiÊ øadnymi elektronicznymi sztucz-

kami - przednia i†tylna strona s¹ stro-

nami tej samej membrany, ktÛra siÍ

przecieø nie rozdwoi. Odizolowanie

przedniej i†tylnej strony membrany

w†teoretycznych rozwaøaniach przepro-

wadza siÍ za pomoc¹ nieskoÒczenie

wielkiej odgrody. Z†tak¹ ide¹ ma coú

wspÛlnego obudowa typu linia trans-

misyjna, a†z†koncepcj¹ skoÒczonej od-

grody obudowa typu dipol (otwarta),

ale w†praktyce spotykamy najczÍúciej

obudowy bass-reflex, i†znacznie rza-

dziej zamkniÍte. Teoria bass-reflexu

jest doúÊ skomplikowana, teraz w†jed-

nym zdaniu powiemy, øe zasada jej

dzia³ania polega na wywo³aniu w†obu-

dowie zjawisk rezonansowych, ktÛre

powoduj¹ moøliwoúÊ wypromieniowa-

nia czÍúci energii produkowanej przez

tyln¹ stronÍ membrany w†fazie zgod-

nej z†prac¹ przedniej strony membra-

ny (i bez obaw, membrana siÍ nie

rozdwoi). Natomiast obudowa zamkniÍ-

ta jest czymú znacznie prostszym, a†jej

funkcjonowanie polega na zamkniÍciu

i†wyt³umieniu ca³ej energii promienio-

wanej przez tyln¹ stronÍ membrany.

Jeøeli jednak ktoú myúli, øe stwierdze-

nie ìznacznie prostszymî oznacza, øe

prostym, juø za miesi¹c przekona siÍ,

øe tak nie jest.

Andrzej Kisiel

Membrana siÍ nie rozdwoi

Na d³uøej zajÍliúmy siÍ g³oúnika-

mi, a†przecieø w†tym odcinku mamy

jeszcze choÊby skrÛtowo przedstawiÊ

rolÍ, jak¹ odgrywa obudowa. Koniecz-

noúÊ jej stosowania, wielkoúÊ, propor-

cje, budowÍ wewnÍtrzn¹, okreúlaj¹

przede wszystkim wymagania g³oúnika

przetwarzaj¹cego niskie czÍstotliwoúci -

a†wiÍc niskotonowego lub nisko-úred-

niotonowego. G³oúnika maj¹cego prze-

twarzaÊ niskie tony nie moøna pozo-

stawiÊ bez obudowy, bowiem... nie bÍ-

dzie przetwarza³ niskich tonÛw. Przed-

nia i†tylna strona membrany g³oúnika

dynamicznego pracuj¹ w†przeciwnych

fazach - kiedy patrz¹c z†przodu g³oú-

nika, membrana wykonuje ruch do

przodu, sprÍøaj¹c powietrze, to patrz¹c

od ty³u, cofa siÍ, rozprÍøaj¹c je. Fale

niskich czÍstotliwoúci maj¹ znaczn¹

d³ugoúÊ, wiÍc gdyby g³oúnik znajdowa³

siÍ w†duøej odgrodzie, powstaj¹ce stre-

fy sprÍøania i†rozprÍøania rozpoúciera-

³yby siÍ na duøym obszarze odpowied-

nio przed i†za g³oúnikiem. Bez odgro-

dy, ciúnienie sprzed g³oúnika ìuciek-

nieî do ty³u, gdzie by³o podciúnienie,

a†przy przeciwnym ruchu membrany

nast¹pi zjawisko odwrotne. Nast¹pi

efekt ìzwarcia akustycznegoî i†ca³y

czas wokÛ³ g³oúnika ciúnienie bÍdzie

Elektronika Praktyczna 12/2003

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: