67

E

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99

B

B

udowa dynamicznego głośni−
ka niskotonowego może słu−
żyć jako ilustracja klasycznej

budowy głośnika dynamicznego.
Głośnik nisko−średniotonowy nie
różni się poważnie w swojej kon−
strukcji od niskotonowego; zdolność
przetwarzania średnich częstotliwo−
ści uzyskuje przede wszystkim dzię−
ki mniejszej średnicy, jak również
poprzez zoptymalizowanie właści−
wości membrany (materiał, geome−
tria) pod kątem przetwarzania szer−
szego zakresu częstotliwości. Więk−
szość głośników średniotonowych
także bardzo przypomina klasyczny
głośnik niskotonowy − mają one
oczywiście odpowiednio małe śre−
dnice membran (o związku między
wielkością głośnika a pasmem,
które ma zadanie przetwarzać,
wspominaliśmy miesiąc temu),
a także nie są przystosowane do
pracy przy dużych amplitudach
(których przetwarzanie średnich czę−
stotliwości nie wymaga). Dopiero
zdecydowana większość współcze−
snych głośników wysokotonowych
(i niewielka część średniotonowych)
odbiega w swojej konstrukcji od
schematu głośnika ze stożkową me−
mebraną, jako że mają one membra−
ny kopułkowe, i w ślad za tym rów−
nież inną konstrukcję pozostałych
elementów.

W układzie magnetycznym, a dokła−
dnie w szczelinie magnetycznej,
znajduje się cewka, do niej przymo−

cowana jest membrana. Zawiesze−
nia: dolne (przyklejane do cewki
w pobliżu połączenia z membraną)
i górne (przyklejane do obrzeża
membrany) pozwalają na osiowy
ruch cewki z membraną. Układ ma−
gnetyczny i zawieszenia mocowane
są do kosza, stanowiącego szkielet
całej konstrukcji
Układ magnetyczny, zbu−
dowany najczęściej na
bazie ferrytowego pier−
ścienia, ma za zadanie
wytworzyć jak najsilniej−
sze pole magnetyczne
w szczelinie. Ale ostate−
cznie siła, z jaką będzie
poruszana cewka, zależy
od iloczynu Bxl, gdzie
B jest gęstością strumie−
nia

magnetycznego

w szczelinie, a l długością
przewodnika

(drutu

uzwojenia cewki), znajdu−
jącego się w tym stru−
mieniu.
Wraz z przepływem prą−
du przez cewkę, będzie
się ona poruszać. Gdyby
wysokość uzwojenia (wy−
sokość cewki) była dokła−
dnie taka jak wysokość
szczeliny, co zmaksymali−
zowałoby iloczyn Bxl
w stanie spoczynku, na−
wet mały ruch cewki po−
wodowałby zmniejszenie
się liczby zwojów pozo−
stających w szczelinie,

a w ślad za tym zmniejszenie
l i zmniejszenie Bxl. Układ działałby
nieliniowo, co powodowałoby po−
wstawanie dużych zniekształceń.
Sposobem zapobieżenia temu zjawi−
sku jest zastosowanie albo szczeliny
znacznie dłuższej od cewki (w ra−
mach dopuszczalnej amplitudy cała

R

Ryyssuunneekk 11.. Konstrukcja głośnika
niskotonowego

Głośniki niskotonowe i nisko−średniotonowe

E

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99

68

cewka znajduje się w szczelinie,
w polu magnetycznym o stałej gę−
stości), albo cewki znacznie dłuższej
niż szczelina (w ramach dopuszczal−
nej amplitudy w szczelinie znajduje
się zawsze ta sama liczba zwojów).
To drugie rozwiązanie jest znacznie
częściej spotykane. W obu przypad−
kach w ramach dopuszczalnej ampli−
tudy wartość Bxl pozostaje stała, co
jest warunkiem liniowej pracy. Ma−
ksymalną amplitudę, przy której
spełniony jest ten warunek, nazywa
się (maksymalną) amplitudą liniową.
Kosztem uzyskania dużej liniowej
amplitudy jest obniżenie wartości
współczynnika Bxl (choć pozostaje
on na stałym poziomie w ca−
łym zakresie pracy), i wsku−
tek tego obniżenie efek−
tywności, bowiem przy
układzie z wysoką cew−
ką dużą część zwojów,
a więc dużą część prze−
wodnika i

płynącego

w nim prądu "skazujemy"
na pracę jałową − pozostawa−
nie poza szczeliną i nieuczestni−
czenie w tworzeniu siły, podobnie
w przypadku z wysoką szczeliną ca−
ły czas "marnuje się" duża część po−
la magnetycznego. Tymczasem, jak
już wspominaliśmy, głośniki niskoto−
nowe wymagają dużych amplitud.
Konstruktor głośnika niskotono−
wego musi więc wybrać jakiś
kompromis − czy da duży zapas
cewki po obu stronach szczeliny,
pozwalając w ten sposób na linio−
wą pracę przy dużych amplitudach,
ale redukując efektywność, czy od−
wrotnie. Oczywiście w praktyce
szuka się "złotego środka". Pole ma−
newru jest tym większe, im... więk−
szy i silniejszy układ magnetyczny.
Przy bardzo dużym B można bo−
wiem pozwolić sobie na mniejsze l,
czyli pozostawienie nawet większej
części uzwojenia poza szczeliną,
i uzyskać wystarczającą wartość
Bxl i zadowalającą efektywność.
Przy skromnych układach magne−
tycznych trzeba oszczędzać i tu,
i tam. Tak więc duże układy magne−
tyczne nie powinny się kojarzyć wy−
łącznie z dużymi efektywnościami.
W głośnikach niskotonowych służą
w równej mierze dopuszczeniu do
dużych amplitud liniowej pracy. Do
możliwości układu magnetycznego
i cewki muszą być jednak dostoso−
wane możliwości zawieszeń. One
również powinny pracować liniowo
w założonym zakresie, co uzyskuje
się stosując ich specjalne profile

i materiały. Amplituda, jaką może
znieść układ drgający głośnika bez
uszkodzenia, nawet po przekrocze−
niu amplitudy liniowej, nazywa się
amplitudą maksymalną.
Parametry zawieszeń membrany
decydują o bardzo ważnym para−
metrze głośnika − podatności ukła−
du drgającego, który wraz z masą
drgającą określa z kolei częstotli−
wość rezonansową (częstotliwość
podstawowego rezonansu mecha−
nicznego) układu drgającego, jeden

z najważniejszych parametrów gło−
śnika niskotonowego.

Fs = 1

2

π

Cs x Ms

1)

Fs − częstotliwość rezonansowa gło−
śnika swobodnie zawieszonego
Cs − podatność zawieszeń
Md − masa drgająca

Potocznie uważa się, że częstotli−
wość rezonansowa określa dolną
częstotliwość graniczną głośnika.
Z grubsza rzecz biorąc tak jest, jed−
nak po pierwsze − parametr Fs okre−
śla częstotliwość rezonansową gło−
śnika swobodnie zawieszonego (bez
obudowy), natomiast w obudowie
zamkniętej rezonans ten nieuchron−
nie przesunie się w stronę wy−
ższych częstotliwości (o ile, zależy
od objętości obudowy), a w obudo−
wie bass−reflex nastąpią jeszcze bar−
dziej skomplikowane zjawiska; po
drugie, nawet kształt charakterysty−

ki częstotliwościowej głośnika w za−
kresie niskich częstotliwości zależy
nie tylko od częstotliwości rezonan−
sowej, ale i od dobroci układu rezo−
nansowego:

Qts =

Qms x Qes

Qms + Qes

2)

Qts − dobroć całkowita układu rezo−
nanso−wego głośnika swobodnie za−
wieszonego.
Qms − dobroć części mechanicznej
Qes − dobroć części elektrycznej

Powyższy wzór nie będzie miał wiel−

kiego znaczenia praktycznego,

w odróżnieniu od samego pa−

rametru Qts.

Wprowadźmy jeszcze je−

den parametr:

Vas − objętość ekwi−

walentna, czyli objętość

powietrza, które poddane

sprężaniu przez powierzch−

nię membrany danego głośnika

ma podatność taką samą, jak
zawieszenia tego głośnika.

W ten sposób skompletowaliśmy
trzy parametry (Fs, Qts, Vas), nazy−
wane parametrami Thiele'a − Smal−
la. Zrozumienie istoty tych parame−

trów i swobodne posługiwanie
się nimi jest niezbędne do umie−
jętności projektowania obudów
głośnikowych. Do tego tematu
wrócimy za miesiąc, tutaj przed−

stawmy jeszcze kilka ważnych cech
głośników niskotonowych.

Rm to parametr mechanicznych
strat w głośniku. Im niższy, tym le−
piej, zwłaszcza dla głośników nisko−
tonowych. Zależy w dużej mierze od
materiału, z jakiego wykonany jest
karkas cewki. W nowoczesnych gło−
śnikach jest on wykonany najczę−
ściej z aluminium albo z kaptonu.
Aluminium jest lżejsze i ma większą
pojemność cieplną, a więc głośnik
może znieść większe obciążenie ter−
miczne, jednak w przypadku głośni−
ków niskotonowych ograniczenie ich
mocy znamionowej jest raczej natu−
ry amplitudowej, niż cieplnej (głośni−
ki niskotonowe na skutek przeciąże−
nia zostają najczęściej uszkodzone
mechanicznie, podczas gdy średnio−
tonowe i wysokotonowe najczęściej
zostają "spalone"). Natomiast kapton
ma niższą przewodność, i w kapto−
nowym karkasie powstają mniejsze
prądy wirowe, które powodują

FFoott..11 Nowoczesny 22−cm głośnik niskotonowy

VIFA Premium Line PL22WR09

69

E

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99

zwiększanie strat. Rm nie jest para−
metrem Thiele'a − Smalla, nie jest
brany pod uwagę przy obliczeniach,
w ramach podstawowej teorii, nie
wpływa ani na charakterystrykę czę−
stotliwościową, ani impulsową, jed−
nak doświadczenia prowadzą do
wniosku, że ma wpływ na słyszalną
jakość przetwarzania niskich często−
tliwości. Dlatego optymalnym mate−
riałem na karkas głośnika niskotono−
wego jest kapton, a na karkasy śre−
dnio− i wysokotonowych − alumi−
nium.
Wśród konstruktorów panuje dzisiaj
zgoda co do tego, że membrana gło−
śnika niskotonowego powinna być
maksymalnie sztywna (nie ma już ta−
kiej zgody co do właściwości mem−
bran głośników średniotonowych,
a tym bardziej wysokotonowych).
Dlatego najchętniej stosowane tu
materiały to sztywne struktury wie−
lowarstwowe, metale, utwardzana
celuloza. Dodatkowe usztywnienie
można wprowadzić dzięki zastoso−
waniu nakładki przeciwpyłowej o du−
żej średnicy (centralna, najczęściej
doklejana część membrany, wklęsła
lub wypukła).
Uzyskaniu dużej sztywności służy
duża masa membrany (poprzez od−
powiednią jej grubość). Niektóre no−
woczesne materiały pozwalają uzy−
skać dużą sztywność już przy rela−
tywnie małej masie. Małą masę
drgającą utożsamia się z "szybko−
ścią" głośnika. Jednak głośnik jest
układem elektromagnetomechanicz−
nym, i jego właściwości impulsowe
zależą od czynników zarówno me−
chanicznych, takich jak masa mem−
brany, i elektromagnetycznych, ta−
kich jak wspominany współczynnik
siły Bxl. Jeśli dużej masie membra−
ny towarzyszy odpowiednio silny
magnes i wysoka wartość iloczynu
Bxl, to można uzyskać bardzo dobre
charakterystyki impulsowe; jeśli na−
wet lekka membrana napędzana
jest przez bardzo słaby układ magne−
tyczny, to charakterystyki impulso−
we nie będą najlepsze. Jednocze−
śnie w konstrukcji głośników nisko−
tonowych wcale nie należy dążyć do
minimalizowania masy membrany −
im większa masa drgająca, tym niż−
sza częstotliwość rezonansowa.
Nowoczesne głośniki niskotonowe
pozwalają na redukcję ciśnienia wy−
twarzanego pod nakładką przeciw−
pyłową, poprzez kanał w nabiegun−
niku i otwór z tyłu układu magne−
tycznego. Niektóre konstrukcje mają
również szczelinę biegnącą dookoła

nad układem magnetycznym, którą
uchodzi powietrze spod dolnego za−
wieszenia. Wysokiej jakości głośniki
− nisko i średniotonowe − mają kosze
odlewane z metali lekkich. Mają one
kilka przewag nad koszami wytłacza−
nymi z blachy. Po pierwsze nie wy−
kazują silnych rezonansów (nie
"dzwonią", jak kosze blaszane), po
drugie są sztywne, i stanowią lepsze
oparcie dla ciężkich układów magne−
tycznych i precyzyjnego dopasowa−
nia szczeliny magnetycznej i cewki
drgającej, po trzecie są niemagne−
tyczne, po czwarte są... estetycz−
niejsze, nie wymagają po zainstalo−
waniu stosowania pierścieni ozdob−
nych. Niestety, są dość kosztowne,
tak więc niespotykane w tanich gło−
śnikach. Coraz częściej wprowadza
się też kosze z tworzyw sztucznych
− znacznie tańsze od odlewanych,
a lepsze od blaszanych, jednak rzad−
ko są one spotykane w głośnikach
niskotonowych dużego kalibru.

Przypomnijmy:

Podstawowe parametry głośnika ni−
skotonowego, niezbędne do projek−
towania obudowy, to parametry
Thiele'a −Smalla:
F

Fs

s [[H

Hzz]] − częstotli−

wość rezonanso−
wa (głośnika swo−
bodnie zawieszo−
nego)
Q

Qtts

s ((p

pa

arra

am

me

ettrr n

niie

e−

m

miia

an

no

ow

wa

an

ny

y)) − do−

broć

całkowita

układu rezonanso−
wego

(głośnika

swobodnie zawie−
szonego)
gdzie na dobroć
całkowitą składają
się:
Q

Qe

es

s − dobroć czę−

ści elektrycznej
Q

Qm

ms

s − dobroć czę−

ści mechanicznej

V

Va

as

s [[d

dm

m

3

3

]] − obję−

tość ekwiwalent−
na
s

siiłła

a u

uk

kłła

ad

du

u n

na

ap

pę

ę−

d

do

ow

we

eg

go

o wyrażana

jest iloczynem:
Bxl [Txm]

Inne parametry,
związane z prze−
twarzaniem

ni−

skich częstotliwo−
ści, to:

S

Sd

d [[c

cm

m

2

2

]] − efektywna powierzchnia

membrany
M

Md

d [[g

g]] − masa drgająca

R

Rm

m [[N

Ns

s//m

m]] − straty mechaniczne

Dla oceny obciążalności głośnika ko−
nieczna jest znajomość:
M

Mo

oc

c zzn

na

am

miio

on

no

ow

wa

a [[W

W]]

D

Do

op

pu

us

szzc

czza

alln

ne

e w

wy

yc

ch

hy

ylle

en

niia

a, liniowe

i maksymalne (+/−) [mm]

Do dopasowania do pozostałych gło−
śników zespołu głośnikowego i pro−
jektowania zwrotnicy musimy znać:
E

Effe

ek

ktty

yw

wn

no

oś

ść

ć (2,83V/1m) [dB]

R

Re

e − rezystancję cewki drgającej [

Ω

]

L

Le

e − indukcyjność cewki drgającej

[mH]

Z takim kompletem parametrów
możemy ruszać w drogę. Pierwszy
etap − projektowanie obudowy za−
mkniętej − za miesiąc.

A

An

nd

drrzze

ejj K

Kiis

siie

ell