EiS 2001-05
TECHNOLOGIA
Głośniki małe i duże (1)
Marek Witkowski
Zestawy głośnikowe różnią się od siebie kształtem bryły, z pewnością też i ciężarem, systemem
mocowań służących do podwieszania, a po odsłonięciu maskownicy okazałoby się, że także
rozwiązaniami konstrukcyjnymi. Różnice występują nie tylko pomiędzy produktami
poszczególnych wytwórców, ale też różne modele tego samego producenta posiadają specyficzne
cechy, właściwe często tylko dla danego modelu. Do każdego modelu dołączane są listy danych
technicznych opracowywane przez armie naukowców, projektantów i konstruktorów. Na ich
podstawie przedstawiciele handlowi poszczególnych producentów kruszą kopie, starając się
dowieść wyższości oferowanego przez siebie sprzętu nad propozycjami konkurentów.
Należy sobie jednak uświadomić, że nawet różne modele sprzętu wykonane przez tego samego
producenta, będą się zachowywały różnie w określonych warunkach eksploatacji. Dlatego
porównywanie sprzętu różnych wytwórców, który często z założenia został zaprojektowany w
ściśle określony sposób - pod kątem spełniania określonych potrzeb, jest bez sensu. To tak, jak
porównanie np. jakiegokolwiek modelu BMW z ciężarówką Mercedesa (oba produkty znanych i
cenionych marek, ale do jakże różnych zastosowań...). Auta te posiadają jednak coś wspólnego.
Jest to silnik, dzięki któremu mogą się poruszać. Tę samą analogię można odnieść również do
systemów nagłośnienia. Pomimo różnic, posiadają one nadrzędną wspólną cechę - wyposażone są
w głośniki.
Odrobina historii
Czym jest głośnik? Jest on jednym z najbardziej rozpowszechnionych przetworników
elektroakustycznych, dzięki któremu sygnał elektryczny może być - po wcześniejszym
wzmocnieniu - zamieniony w fale akustyczne. W głośniku zachodzi więc proces odwrotny, niż ma
to miejsce w mikrofonie. Pierwsze głośniki konstruowano korzystając z dużych słuchawek
telefonicznych z metalową membraną. W celu polepszenia sprawności działania tych
przetworników elektroakustycznych, dodano do nich odpowiednie tuby. Głośniki opisane powyżej
przenosiły bardzo wąskie pasmo częstotliwości, a emitowany przez nie dz
więk był silnie
zniekształcony.
Znacznym postępem w procesie ewolucji głośników było skonstruowanie głośnika
elektromagnetycznego, wyposażonego w papierową membranę o kształcie stożka.
Zasada działania takiego głośnika była następująca. Na silnym stałym magnesie znajdowały się
cewki, przez które płynął prąd zasilający głośnik. W niewielkiej odległości od biegunów magnesu
znajdowała się sprężysta blaszka stalowa z przymocowaną do niej membraną, wykonaną ze
sztywnego papieru. Jeżeli przez cewki przepływał prąd zmienny, to zmieniała się siła, z jaką była
przyciągana blaszka stalowa wraz z membraną. Ruch membrany powodował promieniowanie
dz
więku. W latach 1922-1930 powstało wiele bardzo udanych (jak na owe czasy) głośników o
takiej właśnie konstrukcji. Pomimo, iż posiadały one małą moc, a jakość emitowanego dz
więku
pozostawiała wciąż wiele do życzenia, głośniki te były stosowane w odbiornikach radiowych aż do
1940 roku.
W roku 1924 C.W. Riec oraz E.W.Kellog skonstruowali głośnik, działający w oparciu o inne
rozwiązanie. Ten typ konstrukcji nazwano głośnikiem magnetoelektrycznym, a do dziś jest on
znany jako głośnik dynamiczny. Głównym założeniem motywującym wynalazców do pracy, była
potrzeba zbudowania głośnika o znacznie większej mocy oraz lepszych parametrach. Nikt nie
spodziewał się wówczas, że głośnik o tej konstrukcji zapanuje - w zasadzie niepodzielnie -
wszędzie tam, gdzie potrzebne jest przetwarzanie przebiegów prądu elektrycznego na głos ludzki
oraz muzykę. Na przestrzeni lat zmieniały się techniki, stosowane materiały i technologie. Jeżeli
jednak wez
miemy pod uwagę zasadę działania, to przetrwał on w wersji pierwotnej po dzień
dzisiejszy i nic nie wskazuje na to, aby jego dominująca pozycja, którą zdobył była w jakikolwiek
sposób zagrożona.
Rys. 1. Uproszczony rysunek
przedstawiający zasadę działania pierwszego głośnika. Elementy składowe: 1 - papierowa
membrana, 2 - sprężysta blaszka stalowa, 3 - cewka, 4 - magnes stały.
Rys. 2. Przekrój głośnika
dynamicznego z cewką krótką (a) i cewką długą (b).
Głośnik dynamiczny
Rys. 2 przedstawia przekrój budowy głośnika dynamicznego. Można wyróżnić w nim takie
elementy jak: silny (dużych rozmiarów) magnes stały, membranę w kształcie stożka z
przytwierdzoną do niej cewką, zawieszenie dolne membrany - tzw. resor, zawieszenie górne
membrany oraz metalowy kosz osłaniający membranę i służący do przymocowania głośnika do
obudowy.
Prąd przepływający przez umieszczoną w szczelinie cewkę powoduje jej ruch (wraz z
przytwierdzoną do niej membraną) ze stanu spoczynkowego w przód i w tył - zależnie od kierunku
przepływającego prądu. Podczas przepływu prądu zmiennego o częstotliwości akustycznej,
membrana wykonuje drgania, wytwarzajÄ…c fale dz
więkowe. Taka jest zasada działania głośnika
dynamicznego - przedstawiona w dużym uproszczeniu.
Rysunek, na którym pokazany jest przekrój głośnika dynamicznego, przedstawia głośnik z
magnesem w kształcie pierścienia. W bardzo wielu głośnikach stosuje się magnesy ferrytowe,
które skutecznie zastępują dużo droższe magnesy stopowe. Pierścień ferrytowy jest bardziej płaski,
w związku z czym cały obwód magnetyczny głośnika ma większą średnicę, ale za to jest dużo
niższy. Cewka głośnika jest nawijana warstwowo drutem miedzianym lub aluminiowym. Niektóre
firmy stosują do tego celu drut o przekroju kwadratowym albo sześciokątnym, dzięki czemu można
szczelniej wypełnić cewkę. Ma to istotne znaczenie przy konstruowaniu głośników o dużej mocy, z
możliwie najwęższymi szczelinami w obwodzie magnetycznym.
W zależności od przeznaczenia głośnika jego cewka jest dłuższa od szczeliny lub krótsza. Jeżeli
głośnik konstruowany jest pod kątem przenoszenia niskich częstotliwości - czyli jego membrana
będzie się wychylała z dużą amplitudą, to stosuje się w nim długą cewkę - na tyle długą, aby
podczas maksymalnego wychylenia membrany znajdowała się ona w polu strumienia
magnetycznego. Głośniki wysokotonowe nie potrzebują długich cewek, gdyż ruch jaki wykonuje
cewka jest bardzo mały. Końce uzwojenia cewki są spojone z elastycznymi linkami miedzianymi,
za pomocą których łączy się ją z obwodem zasilającym. Średnice cewek zależą od założeń
konstrukcyjnych i mocy. Kształtują się one w przedziale 10-100mm.
Wpływ na parametry i jakość głośnika ma również kształt i wymiar membrany oraz materiał z
jakiej została ona wykonana. Rys. 3 pokazuje podstawowe rodzaje membran.
Przy zwiększeniu częstotliwości prądu zasilającego cewkę, membrana przestaje zachowywać się
jak idealnie sztywny stożek. Pojawiają się drgania obwodowe i promieniowe w samej membranie,
w skutek czego różne jej fragmenty mają różne fazy ruchu. Zjawisko to wpływa niekorzystnie na
własności elektroakustyczne głośnika oraz jest przyczyną pojawiania się zniekształceń
nieliniowych. Konstruktorom nie udaje się całkowicie wyeliminować tych zjawisk, ale poprzez
dobór odpowiedniego kształtu membrany udaje się je ograniczyć.
Rys. 3. Podstawowe rodzaje
membran głośnikowych: stożkowa z fałdami (a), wykładnicza (b), układ dwumembranowy,
dwustożkowy (c), kopułkowa (d). W tej ostatniej wyróżniamy: membranę właściwą (1), cewkę (2),
podstawę montażową (3).
Rys. 4. Zawieszenie górne
membrany: fałdowe, za pomocą odpowiedniego ukształtowania obrzeża membrany (a, b); miękkie,
za pomocą pierścienia z pianki poliuretanowej (c); miękkie, za pomocą kołnierza z gumy lub
tworzywa sztucznego (d).
Rys. 5. Zawieszenie dolne membrany -
resor głośnika: resor współosiowy pofałdowany (1), cewka (2), membrana (3), osłona (4).
Materiały
Materiał, z którego są wykonywane membrany, dobiera się uwzględniając bardzo wiele
czynników. Najważniejsze z nich są dwa: 1 - membrana powinna być sztywna ale lekka, 2 -
materiał membrany powinien charakteryzować się dużą stratnością, czyli wykazywać duże tarcie
wewnętrzne przy zginaniu.
Podstawowym materiałem, z którego wykonuje się membrany, jest masa papierowa. Dodatkami są:
wełna, włókno szklane, włókno aluminiowe itp. Wszystkie membrany impregnuje się
odpowiednimi syciwami. Stosuje się ponadto dodatkowe lakierowanie, albo też pokrywa je
warstwą tworzywa sztucznego lub folią aluminiową. Bywają membrany wykonane w całości z
tworzyw sztucznych, włókna węglistego oraz papieru napylonego obustronnie metalem. Membrany
głośników wysokotonowych wykonuje się najczęściej z aluminium, tytanu bądz
berylu.
Do wykonania cewek połączonych trwale z membraną, stosuje się wypraski z mas plastycznych
lub aluminium. Membrana z przytwierdzoną do niej cewką nosi nazwę układu drgającego głośnika.
Układ ten jest zawieszony elastycznie za pomocą resoru stanowiącego zawieszenie dolne oraz
zawieszenia górnego (sposób jego wykonania jest uzależniony od przeznaczenia głośnika),
łączącego membranę z koszem głośnika.
W większości głośników stosuje się zawieszenie fałdowe, polegające na odpowiednim
ukształtowaniu obrzeża membrany. Jeżeli potrzebne jest miękkie zawieszenie, przystosowane do
dużych wychyleń membrany, to używa się kołnierza z tworzyw sztucznych.
Kosz głośnika jest wytłaczany z blachy lub odlewany z lekkiego stopu. Większość głośników
posiada kosze okrągłe. Produkowane są też i inne (np. eliptyczne), ale ich przeznaczeniem jest
dzisiaj głównie sprzęt do użytku domowego. Średnice koszy głośników produkowane są w
określonym standardzie i zawierają się w przedziale od 50mm do około 460mm. Niektórzy
producenci sprzętu nagłośnieniowego (np. Turbosound) stosują w swoich konstrukcjach głośniki
niskotonowe o średnicy około 560 mm (22").
EiS 2001-06
 TECHNOLOGIA
Głośniki małe i duże (2)
Marek Witkowski
W jaki sposób pracuje głośnik i co jest rzeczą istotną dla jego działania, możemy przeanalizować
rozkładając go na "czynniki pierwsze". Generalnie każdy głośnik składa się z trzech części: układu
magnetoelektrycznego czyli napędowego, układu mechanicznego czyli drgającego oraz układu
mechanoakustycznego.
Wszystkich trzech układów nie będziemy dokładnie analizować, aby nie zagłębiać się w zbędne w
praktyce analizy matematyczne i wyprowadzanie wzorów. Jednak o kilku rzeczach należy
wspomnieć - oczywiście stosując duże uproszczenie. Siłę mechaniczną F, która działa na cewkę
głośnika można obliczyć ze wzoru:
F = I × B × L [N]
w którym:
I - oznacza natężenie prądu w cewce głośnika (A),
B - indukcjÄ™ magnetycznÄ… w szczelinie (Wb/m2),
L - długość uzwojenia cewki objętego polem (m).
Gdy przez cewkę płynie prąd zmienny, to zmienia się również siła F, która jest wprost
proporcjonalna do wartości chwilowej natężenia prądu. Z podanej zależności wynika też, że siła F
jest wprost proporcjonalna do indukcji magnetycznej w szczelinie. Stosowanie odpowiednich
magnesów, zapewniających uzyskanie dużej wartości indukcji magnetycznej, wpływa na
zwiększenie czułości głośnika.
Rys. 1. Charakterystyka
ciśnienia akustycznego P na osi promieniowania głośnika w zależności od częstotliwości f. 1 -
zakres poniżej częstotliwości rezonansowej, 2 - zakres rezonansu układu drgającego, 3 - zakres
równomiernego przenoszenia, 4 - zakres "poszarpanej" charakterystyki przenoszenia, 5 - zakres
utraty zdolności przetwarzania. I - zakres promieniowania fali kulistej (słabo zaznaczająca się
kierunkowość promieniowania, II - zakres promieniowania kierunkowego.
Jako ciekawostkę podam, że podczas wystawy sprzętu w Goeteborgu w 1990 r. firma Hog Music
zaprezentowała głośnik o średnicy 560 mm, w którym zamiast magnesu stałego zastosowano duży
elektromagnes. Takie rozwiązanie nie jest zbyt funkcjonalne, ponieważ wymaga dodatkowego
z
ródła zasilania.
Wracamy do rozważań. Dowiedziono też, że istotny wpływ na sprawność energetyczną głośnika
ma rezystancja cewki. Duża jej wartość jest niepożądana. Na rys. 1 przedstawiono charakterystykę
ciśnienia akustycznego P na osi promieniowania głośnika w zależności od częstotliwości f.
Popatrzmy uważnie na wykres. Wielokrotnie przeprowadzane analizy własności głośnika
dynamicznego potwierdziły, że skonstruowanie jednego głośnika dobrze przenoszącego całe
pasmo akustyczne jest wręcz niemożliwe. Potrzebne jest zatem zróżnicowanie głośników, które
dotyczy zarówno mocy, jak też i rozmiarów. Podziału głośników możemy więc dokonać kierując
się różnymi kryteriami.
Rys. 2. Przykładowa
charakterystyka kierunkowości głośnika.
Przyjmując znowu pewne uproszczenia możemy podzielić głośniki na trzy grupy:
1. Głośniki standardowe do urządzeń powszechnego użytku. Są to głośniki niskiej i średniej klasy,
montowane w zabawkach, przenośnych odbiornikach radiowych, telewizorach, systemach
radiowęzłowych.
2. Głośniki do domowych zestawów hi-fi. W tej grupie znajdują się bardzo różne głośniki dobrej i
bardzo dobrej klasy - od masowo produkowanych - do limitowanych krótkich serii przeznaczonych
do ekskluzywnych zestawów.
3. Głośniki przeznaczone do zastosowań profesjonalnych - w zestawach nagłaśniających,
instrumentalnych, dyskotekowych, w stacjonarnych i mobilnych systemach nagłośnienia teatrów i
sal koncertowych.
Głośniki możemy podzielić także ze względu na zakres częstotliwości, do przenoszenia którego
zostały przeznaczone:
1. Głośniki normalnopasmowe, przenoszące pasmo akustyczne za wyjątkiem ekstremalnie niskich i
wysokich częstotliwości.
2. Głośniki szerokopasmowe - przenoszące zakres 60Hz-12kHz.
3. Głośniki niskotonowe - przenoszące pasmo do 2kHz.
4. Głośniki nisko-średniotonowe - przenoszące pasmo do 5kHz.
5. Głośniki średniotonowe - przenoszące pasmo częstotliwości środkowej. Ich zakres kształtowany
jest różnie przez różnych producentów, ale mieści się on w granicach 500Hz-12kHz.
6. Głośniki wysokotonowe - przenoszące pasmo od 2kHz.
Przy omawianiu głośników dynamicznych wypada także wspomnieć o głośnikach działających na
innej zasadzie. Są to głośniki piezoelektryczne, w których dz
więk powstaje wskutek odkształcenia
płytek wykonanych z kryształów lub ceramiki o własnościach piezoelektrycznych. Są one
wytwarzane jako głośniki wysokotonowe i stosowane czasem w zestawach estradowych średniej
klasy. Jeszcze innym typem głośnika jest głośnik elektrostatyczny, w którym membranę stanowi
metalowa lub metalizowana cienka folia, przyciągana lub odpychana przez stałą elektrodę. Ten
rodzaj głośników, produkowanych jako średnio-wysokotonowe lub tylko średniotonowe, bywa
stosowany w zestawach hi-fi.
Rys. 3. Przykładowa
charakterystyka impedancji głośnika dynamicznego.
fr - częstotliwość rezonansowa układu drgającego,
fz - częstotliwość, przy której występuje minimalna wartość impedancji Z głośnika, przyjmowana
za znamionowÄ… dla danego modelu.
Parametry głośnika
Charakterystyka kierunkowości głośnika jest to zależność wytwarzanego przez głośnik ciśnienia
akustycznego do kąta jaki zawarty jest pomiędzy osią głośnika, a prostą poprowadzoną od głośnika
do miejsca pomiaru. W zakresie przenoszenia wysokich częstotliwości, głośnik promieniuje
kierunkowo. Przykładową charakterystykę kierunkowości głośnika przedstawia rys. 2.
Efektywność głośnika. Parametr ten określa zdolność głośnika do przetwarzania energii
elektrycznej w akustyczną. Efektywność głośnika jest to stosunek średniego ciśnienia
akustycznego wytwarzanego przez głośnik zasilany mocą 1VA w odległości 1 metra od niego, do
ciśnienia [N/m2] przyjętego za poziom odniesienia wyrażony w decybelach.
Impedancja głośnika i jej charakterystyka. Impedancja znamionowa to najmniejsza wartość
impedancji elektrycznej występująca przy częstotliwości leżącej powyżej częstotliwości
rezonansowej układu mechanicznego głośnika. Przykładową charakterystykę impedancji - Z,
przedstawia rys. 3.
Zniekształcenia nieliniowe. Głośnik posiada wiele elementów, które podczas jego działania mogą
wprowadzać zniekształcenia nieliniowe. Główne powody ich powstawania to:
" przesterowanie powodujÄ…ce nadmierne wychylenie cewki,
" odkształcenie zawieszenia układu drgającego, będące powodem przesunięcia cewki w szczelinie,
" naruszenie współosiowości cewki i szczeliny,
" zjawiska nieliniowe w membranie (zestarzenie się materiału membrany),
" zmiana właściwości zawieszenia (powodem może być zestarzenie się podczas długotrwałego
użytkowania),
Dane techniczne. W ogólnie dostępnych prospektach i katalogach najczęściej podaje się
następujące dane techniczne:
1. Moc znamionowa - wyrażona w watach (W),
2. Impedancja znamionowa - wyrażona w omach (©),
3. Częstotliwość rezonansowa - wyrażona w hercach (Hz),
4. Pasmo przenoszenia - wyrażone w hercach (Hz),
5. Efektywność - wyrażona w decybelach (dB),
6. Masa głośnika - wyrażona w (kg),
7. Średnica kosza - wyrażona w milimetrach lub calach,
W dokładniejszych katalogach podaje się dodatkowo:
8. NajmniejszÄ… wartość impedancji (©) i czÄ™stotliwość, przy której ona wystÄ™puje (Hz),
9. RezystancjÄ™ cewki (©),
10. ÅšrednicÄ™ cewki (mm),
11. Wartość indukcji magnetycznej w szczelinie - wyrażoną w teslach (T).
Katalogi przeznaczone dla specjalistów podają również takie dane jak: podatność zawieszenia,
masę czynną układu drgającego, opór mechaniczny (tarcie), czynną średnicę membrany, długość
uzwojenia cewki oraz długość i objętość szczeliny magnetycznej. Często podawane są też
zalecenia dotyczące optymalnego zastosowania danego modelu głośnika.