5.ZESTAW GŁOŚNIKOWY

Głośniki służą do przetwarzania sygnałów fonicznych na sygnały akustyczne. Głośnik jest bardzo ważnym elementem systemu nagłośnienia, ponieważ to on wpływa ostatecznie na jakość sygnału wyjściowego (dźwięku) dochodzącego do odbiorcy. Jest on urządzeniem wyjściowym miksera bądź też wzmacniacza akustycznego i to dzięki niemu słyszymy pożądany efekt. Kiedy głośniki nie są odpowiednie to pomimo iż posiadany mikser czy wzmacniacz będzie wysokiej klasy nie usłyszymy dźwięku o parametrach adekwatnych do jakości pozostałych urządzeń.

5.1 BUDOWA GŁÓŚNIKA

Rys5.1.1 Przekrój głośnika dynamicznego.

Głośnik ten składa się z systemu magnetycznego na który składa się magnes i dwa magnetowody, nabiegunnik i podbiegunnik. Pomiędzy którymi wytwarzane jest silne pole magnetyczne obejmujące swoim działaniem cewkę. Cewka nawinięta jest na karkasie który przyklejony jest do membrany, membrana natomiast jest zawieszona na dwóch resorach. Resor dolny (zawieszenie dolne) ustala położenie cewki w szczelinie a resor górny (zawieszenie górne) tworzy punkt podparcia dla membrany. Oba resory umożliwiają swobodne poruszanie się membrany w pozycji pionowej. Elementy te przymocowane są do kosza stanowiącego element nośny głośnika.

Rys5.1.2 Budowa cewki.

Rys5.1.3 Przekrój typowego głośnika dynamicznego stożkowego z "wentylowanym magnesem".

 

5.1.1 ILOŚĆ GŁOŚNIKÓW

Dlaczego w kolumnach jest wiele głośników? Nie wymyślono jak dotąd głośnika mogącego przetwarzać pełne pasmo częstotliwości przez nas słyszalnych. Dlatego
w kolumnach stosuje się kilka różnych głośników mogących pokryć jak najszersze pasmo. Dla częstotliwości niskich są stosowane duże głośniki wraz z obudowami, a dla wysokich głośniki niewielkie, które ze względów na swoje właściwości pełnią tę role znacznie lepiej. Ilość głośników jest zależna od kilku czynników. Każdy głośnik pracuje w pewnym paśmie częstotliwości w którym jego praca jest najefektywniejsza. Z tego względu dzielimy kolumny na ilość dróg (pasm). Najczęściej spotykanymi są kolumny dwudrożne i trójdrożne. Podziałem pasm między głośnikami zajmuje się zwrotnica.

5.1.2 ZWROTNICA

Zwrotnica służy do podziału pasm częstotliwości dla poszczególnych głośników przy danej częstotliwości (częstotliwościach). Zwrotnica z jedną częstotliwością podziału dzieli pełen zakres na dwa pasma (dwie drogi). I wymaga zastosowania co najmniej dwóch głośników. Głośnika niskotonowego (nisko-średniotonowego) i wysokotonowego. Zwrotnice wielodrożne posiadają więcej częstotliwości podziału i wymagają tym samym większej ilości zastosowanych głośników. Ich dobór i ilość zależy od konstruktora. Zwrotnice są trudnym elementem konstrukcyjnym a ich działanie zależy od parametrów konkretnego głośnika. Od nich zależy brzmienie całości zespołu głośnikowego a także w pewnym stopniu jego moc.

5.1.3 BUDOWA ZWROTNICY

Zwrotnica składa się z zespołu filtrów, dolnoprzepustowych oraz górnoprzepustowych, a także z układów dodatkowych takich jak: pułapki rezonansowe, układy kompensacji i linearyzacji impedancji. Najprostszym filtrem dolnoprzepustowym jest szeregowo włączona cewka. A filtrem górnoprzepustowym szeregowy kondensator. Jest to tzw. filtr I rzędu którego nachylenie na zboczu tłumienia wynosi 6dB/okt. Filtr II rzędu jest rozbudowany o następne człony w wyniku czego jego tłumienie wynosi 12dB/okt. filtr III jest rzędu rozbudowany o następny człon a jego tłumienie wynosi 18dB/okt. Łatwo się domyśleć, że każdy następny człon zwiększy tłumienie o kolejne 6dB/okt. Jednak filtry o tłumieniu powyżej 18dB/okt. są stosowane bardzo rzadko.

Rys5.1.4 sposób podłączenia filtrów o różnych konstrukcjach

Powyższy rysunek przedstawia sposób podłączenia filtrów o różnych konstrukcjach
z uwzględnieniem biegunowości. Biegunowość podłączenia głośników w bardziej rozbudowanych zwrotnicach nie jest sprawą oczywistą i jest również zależna od charakterystyki samego głośnika, stąd też brak oznaczenia biegunowości w filtrze
o nachyleniu 18db/okt. Odpowiednie wartości elementów oblicza się ze wzorów podstawiając impedancję głośnika i zadaną częstotliwość podziału:

Dla filtru I rzędu (6dB/okt.):

L1 = 160 * z / f [mH]  ,  C1 = 160 000 / f * z [uF]

 Dla filtru II rzędu (12dB/okt.)

L1 = 225 * z / f [mH]  ,  C1 = 112 500 / f * z [uF]

 Dla filtru III rzędu (18dB/okt.)

L1 = 240 * z / f [mH]  ,  C1 = 212 000 / f * z [uF]

L2 = 80 * z / f [mH]  ,  C2 = 106 000 / f * z [uF]

L3 = 120 * z / f [mH]  ,  C3 = 318 000 / f * z [uF]

f - częstotliwość podziału

z - impedancja głośnika

Pełna zwrotnica składa się z połączenia poszczególnych układów filtrów.
Dla głośnika niskotonowego (nisko-średniotonowego) jest to tylko filtr dolnoprzepustowy, dla wysokotonowego filtr górnoprzepustowy. A dla głośnika (głośników) średniotonowego filtr będący szeregowym połączeniem filtru górnoprzepustowego (najczęściej jako pierwszy) i dolnoprzepustowego.

Tab.5.1.1 W powyższej tabeli zawarte są przykładowe obliczenia wartości elementów dla danej częstotliwości i impedancji głośnika.

W praktyce jednak nie jest to takie proste, ponieważ powyższe wzory są bardzo dokładne, ale czysto teoretyczne. Pozwalają obliczyć wartości elementów zakładając impedancję głośnika jako niezmienną w funkcji częstotliwości i dla liniowej charakterystyki ich przetwarzania, a zwrotnica powinna uwzględniać zmienną impedancje głośnika oraz jego naturalną charakterystykę przenoszenia.

5.1.4 PROBLEM FILTRU II rzędu

Filtr II rzędu składa się z dwóch elementów reaktancyjnych, cewki i kondensatora. Ze względu na dowolną zmianę wartości obu tych elementów nie ma jednego sposobu ich doboru. Dowolna zmiana ich wartości nie jest zalecana ze względu na możliwość spadku impedancji takiego filtru poniżej wartości znamionowej dla całej kolumny.
Wspomniany spadek impedancji występuje w momencie rezonansu RC i jest on wąskopasmowy. Dlatego też nie można podłączać głośników o impedancji większej niż przewidziana do takiego filtru. A tym samym podłączać samego filtru (bez głośnika) do wyjścia wzmacniacza, wtedy, bowiem jeśli nie zastosowano rezystancji szeregowej spadek impedancji może dochodzić do 0 (całkowite zwarcie). Szczególną uwagę należy zwrócić przy stosowaniu głośników piezoceramicznych, które mając dużą wartość impedancji, powodują taką sytuację. Przy dobrym obliczeniu wartości filtru takie zdarzenie nie powinno mieć miejsca. Rozróżniamy kilka modeli filtrów, noszących nazwy po nazwiskach ich konstruktorów. Różnią się one przede wszystkim wartością dobroci. Dobroć jest to stosunek wartości napięcia podczas rezonansu filtru do napięcia w jego paśmie przepustowym. I odzwierciedla się na charakterystyce w postaci charakterystycznego jej załamania. Dla niskich wartości dobroci Q=0,5 początkowe opadanie charakterystyki jest łagodne, aby potem osiągnąć nachylenie 12dB/okt. wspólne dla wszystkich filtrów II rzędu. Wartość dobroci na poziomie Q=0,7 zapewnia najgładszą charakterystykę w paśmie przepustowym, dla dobroci Q=1 występuje lekkie podbicie na charakterystyce a potem gwałtowny jej spadek. Dokładne obliczanie tych wartości nie jest potrzebne, ważna jest znajomość kilku podstawowych modeli i ich właściwości. Przykład obliczeń różnych filtrów dla częstotliwości podziału F=3KHz i ich charakterystyk: Rys5.1.5

Jak widać różnice w wartościach poszczególnych elementów są znaczne. A tak wyglądają ich charakterystyki:

Najlepiej prezentuje się charakterystyka wg. Butterwortha. Jednak nie tylko ważna jest charakterystyka częstotliwościowa, różnice są widoczne na charakterystyce impulsowej.

W tym przypadku widać najlepszą charakterystykę wg. Bessela. Wybór odpowiedniej charakterystyki jest zależny od założeń konstrukcyjnych. Łagodne zbocza filtrów zapewniają dobre charakterystyki impulsowe, lecz słabe wartości tłumienia na granicy częstotliwości podziału. Filtry o ostrych zboczach dobrze tłumią już poniżej (powyżej) częstotliwości podziału, ale mają zdecydowanie gorszą charakterystykę impulsową. Czasem ich wybór spowodowany jest samą charakterystyką głośnika i dobierając rodzaj filtru można ją skompensować. Np. dla głośnika wykazującego niewielkie podbicie na granicy częstotliwości podziału, możemy skutecznie je zlikwidować przez zastosowanie filtru o łagodnym zboczu. I na odwrót. Teoretyczne połączenie charakterystyk filtru dolnoprzepustowego i górnoprzepustowego dla symetrycznego filtru II rzędu powinno przebiegać na poziomie -6dB ich tłumienia i z odwróceniem fazy jednego z głośników. Rys 5.1.6. Przykład charakterystyk złożeniowych filtrów o wartościach jak powyżej:

Jak widać mimo obliczeń dla częstotliwości podziału równej Fp=3KHz dla każdego filtru, przecięcie ich charakterystyk, choć dokładnie przy 3KHz, nie jest na poziomie -6dB dla nich wszystkich. I nie zapewnia tym samym idealnie płaskiej charakterystyki wypadkowej dla każdego z tych filtrów (nie przedstawiono ich na tym wykresie). Taką idealną charakterystykę zapewnia tylko filtr wg. Linkwitza-Rileya, zawdzięcza to płaskiemu przebiegowi fazy, stąd jest dobrze znany w kręgach HI-END. W pozostałych przypadkach, mimo zmian częstotliwości granicznych (rozsunięcie ich), nie uda się osiągnąć płaskiej charakterystyki wypadkowej i będzie ona wykazywała podbicie lub osłabienie w punkcie częstotliwości podziału. W najlepszym razie wykaże mniejsze lub większe zafalowanie, zależne od rodzaju filtru. Spowodowane jest to różnymi przesunięciami fazowymi w okolicy przecięcia się charakterystyk.
Aby w praktyce osiągnąć gładką charakterystykę przy częstotliwości podziału trzeba uwzględnić charakterystykę przetwarzania samego głośnika oraz przebieg jej fazy (także wpływ odległości głośników) i odpowiednio zmodyfikować filtr, dopuszczając również zmianę fazy podłączenia jednego z głośników. Częstotliwość podziału wyznacza punkt przecięcia charakterystyk przetwarzania obu głośników, a nie częstotliwość samych filtrów, która jest różna od faktycznej częstotliwości podziału pasm.
Najtrudniejsze w realizacji jest osiągnięcie teoretycznych charakterystyk przetwarzania głośników. Tworzone w zespołach głośnikowych wysokiej klasy w celu wydobycia z nich specyficznych własności. Nie jeden zdziwiłby się na widok filtru I rzędu, teoretycznie jeden kondensator lub cewka, składającego się z kilkudziesięciu elementów. Zastosowanych po to, aby skorygować charakterystykę przetwarzania samego głośnika i uzyskać zgodną z teorią charakterystykę o nachyleniu 6dB/okt. (filtr I rzędu). Tworzenie tego typu filtrów jest niemożliwe w konstrukcjach amatorskich i powinno pozostać w rękach zawodowców.

5.1.5 PODZIAŁ GŁOŚNIKÓW

Głośniki dzielą się wbrew pozorom na wiele rodzaji. Podstawowy podział dzieli je na:

        - magnetoelektryczne (dynamiczne)
        - izodynamiczne
        - elektrostatyczne
        - piezoelektryczne
        - jonowe
        - mangera

Głośniki dynamiczne są najpopularniejsze, a przy przetwarzaniu najniższych częstotliwości niezastąpione. Dzielą się one na:

        - stożkowe
        - kopułkowe (wypukłe, wklęsłe, kopułkowe z tubą, pierścieniowe)
        - wstęgowe

Membrany głośników są wykonywane z wielu różnych materiałów i ich kombinacji. Niektóre nich to:

        - papier (celuloza)
        - polipropylen (wiele różnych odmian)
        - aluminium
        - tytan
        - magnez
        - kewlar
        - włókna węglowe
        - włókna szklane
        - włókna drewniane
        - mika
        - grafit
        - inne

Głośnik średniotonowy różni się budową od głośnika niskotonowego.
Główne różnice polegają oczywiście na wielkości membrany ale nie tylko. Membrana głośnika średniotonowego jest cieńsza i lżejsza. Często zawieszenie górne membrany w głośnikach niskotonowych jest większe, a układ drgający jest bardziej podatny na większe wychylenia. Głośniki średnio-niskotonowe są kompromisem pomiędzy lekkością i delikatnością membrany głośnika średniotonowego a wielkością, grubością membrany i cięższym układem drgającym układu niskotonowego.

5.2 BUDOWA KOLUMNY

5.2.1 KOLUMNY

Mając na myśli głośniki większość ludzi kojarzy je z kolumnami, a mając na myśli kolumny kojarzy je z mocą i ich wielkością a także z ich głośnością. Nic bardziej mylnego. Wielkość najczęściej idzie w parze z mocą jak również maksymalną głośnością. Kolumna duża wcale nie musi grać głośniej będzie grać inaczej szczególnie w zakresie basu. Duży głośnik stwarza większe możliwości w tym zakresie lecz potrzebuje większej obudowy aby zapewnić mu dobre warunki pracy. A jego większa moc jest potrzebna ze względu na zapewnienie dostatecznej głośności w zakresie basu. Obudowa kolumny głośnikowej nie służy tylko do mocowania głośników lecz jest potrzebna do prawidłowej pracy głośnika basowego. Bez niej nie usłyszelibyśmy prawie żadnego basu. (wyjątkiem są tu kolumny dipolowe w których są stosowane specjalne zabiegi w celu poradzenia sobie z tym problemem).

5.2.2 OBUDOWA

Najważniejszą rzeczą w budowie kolumny jest jej obudowa. Obudowa jest niezbędna jako element nośny dla głośników a przede wszystkim wpływa na działanie głośnika przetwarzającego najniższe częstotliwości. Można przyjąć że głośnik bez obudowy "nie gra" wcale, jego brzmienie jest pozbawione basu. Wyjątkiem są tu kolumny dipolowe w których stosowane są specjalne filtry mające za zadanie uwypuklić bas (skompensować jego naturalny spadek). Najczęściej stosowaną obudową jest obecnie obudowa bass-reflex, można też spotkać obudowę zamkniętą. I jedna i druga ma swoje wady i zalety. Największą zaletą obudowy zamkniętej jest jej charakterystyka impulsowa, najmniejsze podbarwienia dźwięku, jak i małe wymiary w stosunku do obudowy bass-reflex. Stąd też jest często stosowana w sprzęcie najwyższej klasy jak też w małych kolumnach średniej klasy. Wadą jest natomiast gorsze możliwości przetwarzania basu w porównaniu z bass-reflexem. Obudowa z otworem (bass-reflex) mimo koniecznej większej objętości zapewnić może lepsze rozciągnięcie basu. Jednak nie każdą obudowę można po prostu przedziurawić, konieczne jest posiadanie specjalnego głośnika i odpowiednie nastrojenie otworu obudowy (jego długość i średnica). Co jest największą wadą obudowy bass-reflex. Oraz nie najlepsze charakterystyki impulsowe. Które mogą być bardzo dobre pod warunkiem wysokiej klasy głośnika i dobrze dobranej obudowie, stąd też i w sprzęcie wysokiej klasy dominują obudowy bass-reflex.

W sprzęcie średniej klasy bardzo często obudowa bass-reflex  jest tylko chwytem reklamowym i mimo posiadania otworu nie pełni on często większej roli, raczej pogarszając brzmienie niż je polepszając.

Rys5.1.7 Przekrój prostej, typowej obudowy minimonitora na którym wskazane jest m.in. kilka szczegółów wpływających pozytywnie na jakość dźwięku.

Obudowy są wykonywane z wielu różnych materiałów i ich kombinacji. Niektóre z nich to:

        - Płyta wiórowa
        - Płyta MDF (twarda)
        - Sklejka (różne gatunki drewna)
        - Sosna (miękka)
        - Dąb
        - Grab (najtwardsze polskie drzewo)
        - Jesion

Kształt obudowy zależy głównie od ilości i wielkości zastosowanych głośników, przeznaczenia oraz upodobań. Ale od kształtu zależy również jakość dźwięku. Istnieją pewne proporcje które wpływają pozytywnie na dźwięk i które należy brać pod uwagę. Ponadto im bardziej obudowa jest nierówna tym mniej będzie w niej powstawać tzw. "fal stojących". Aby to osiągnąć można ścianki obudowy pochylić do siebie pod kątem i uczynić je nierównoległe.

Dodatkowym problemem jest zły wpływ bezpośrednich odbić dźwięku od tylnej ścianki obudowy na membranę głośnika które jednak można zniwelować odpowiednio konstruując obudowę i stosując odpowiednie materiały tłumiące i/lub rozpraszające.

 

5.2.3 TYPOWE KSZTAŁTY OBUDÓW Z NIERÓWNYMI ŚCIANKAMI

POCH. ŚCIANKI BOCZNE	POCH. ŚCIANKA TYLNA	POCH. ŚCIANKA PRZEDNIA	BOCZNE ŚCIANKI ZWĘŻAJĄCE SIĘ	ZAOKRĄGLONE ŚCIANKI	OKRĄGŁA OBUDOWA STOJĄCA
MAŁO POPULARNA	POPULARNA	POPULARNA	POPULARNA	MAŁO POPULARNA	RZADKA

5.2.4 GRUBOŚCI ŚCIANEK

Ścianki powinny mieć grubość dostosowaną do wielkości obudowy, wielkości i ilości głośników oraz rodzaju użytego materiału na poszczególne ścianki tejże obudowy. Standardową grubością dla obudowy wykonanej z płyty MDF jest 19mm. Jednak dla uzyskania optymalnych warunków pracy głośników należy stosować grubsze ścianki ze szczególnym uwzględnieniem ścianki przedniej. Na przykład dla minimonitora z płyty MDF ściankę przednią należałoby wykonać  o grubości min. 30mm a resztę o grubości min. 25mm.
Najwyższej klasy obudowy konstruuje się ze ściankami dwu lub kilku warstwowymi.
Każdy z zastosowanych materiałów ma inne właściwości pochłaniania drgań i tłumienia dźwięku wydobywającego się z wewnątrz obudowy.

Razem te materiały odpowiednio zastosowane stanowią niemalże idealną ścianę obudowy. Grubość ścianek ma znaczenie wziąwszy pod uwagę fakt, że obudowa wpada w drgania pod wpływem drgań membran(y) głośnika(ów) a jednocześnie powierzchnia ścianek obudowy jest wielokrotnie większa od powierzchni membran(y) głośnika(ów). Podczas odsłuchu kolumn głośnikowych trudno jest stwierdzić które dźwięki pochodzą od obudowy gdy się nie wie które dźwięki pochodzą bezpośrednio z głośników.

Poza stosowaniem odpowiednio grubych ścianek, można na ścianki przymocować specjalne materiały np.: bitumex, które mając dużą gęstość i inną częstotliwość rezonansową, jeszcze bardziej obniżają ich drgania.

5.2.5 PODZAŁ OBUDÓW ZE WZGLĘDU NA KSZTAŁT

OBUDOWY ZAMKNIĘTE
	OBUDOWY OTWARTE
				OBUDOWY LABIRYNTOWE
ZAMKNIĘTA		PASMOWO-PRZEPUSTOWA	BAS-REFLEX	Z LINIĄ TRANSMISYJNĄ		TUBOWA	Z ODGRODĄ AKUSTYCZNĄ
ZWYKŁA ZAMKNIĘTA	ZAMKNIĘTA Z MEMBRANĄ BIERNĄ		Z OTWOREM (AMI) Z PRZODU		Z OTWOREM Z PRZODU	Z OTWOREM Z PRZODU	ZWYKŁA
POPULARNA	MAŁO POPULARNA		POPULARNA		MAŁO POPULARNA	RZADKA	RZADKA
					OBUDOWY Z LINIĄ TRANSMISYJNĄ  MOGĄ MIEĆ OTWÓR Z RÓŻNYCH STRON OBUDOWY	OBUDOWY Z TUBĄ  MOGĄ MIEĆ OTWÓR Z RÓŻNYCH STRON OBUDOWY
Z MEMBRANĄ BIERNĄ	Z JEDNĄ KOMORĄ WENTYLOWANĄ		Z OTWOREM(AMI) Z TYŁU
RZADKA	POPULARNA		POPULARNA
Z VARIOVENTEM (element stratny)	Z DWIEMA KOMORAMI WENTYLOWANYMI		Z OTWOREM (AMI) Z DOŁU
RZADKA	MAŁO POPULARNA		MAŁO POPULARNA
	OBUDOWY PP MOGĄ MIEĆ RÓŻNE KOMBINACJE OTWÓRÓW

Wzmocnienia wewnętrzne:

Odpowiednia grubość ścianek to nie wszystko. Wzmocnienia wewnątrz obudowy również są potrzebne w celu zminimalizowania drgań ścianek. Nawet w minimonitorach są stosowane wzmocnienia. Niektórzy producenci trochę przesadzają i idą na całość tworząc tzw. kratownicę "Matrix". Wzmocnienia są potrzebne ale we właściwej ilości. Powinny one być możliwie solidne i z odpowiednio wykonanymi otworami przewiewowymi.

Pochylenie wzmocnienia wewnętrznego może wpłynąć pozytywnie ponieważ powstaje w ten sposób mniej tzw. "fal stojących" wewnątrz obudowy, które wpływają degradująco na dźwięk.

5.2.6 BUDOWA - wytłumienie

Wytłumianie komory głośnikowej jest rzeczą normalną i słuszną. Oczywiście są wyjątki w których nie zastosowano wytłumienia z pewnych względów przez niektórych producentów którzy twierdzą, że jest zbędne. W większości przypadków komór głośnikowych wytłumienie jest potrzebne ze względu na fakt, że fale dźwiękowe które są wytwarzane przez tylną część membrany głośnika odbijają się wewnątrz komory głośnikowej i wracają z powrotem uderzając o nią od tyłu co źle wpływa na przetwarzanie dźwięków przez tę że membranę i zakłóca jej pracę. Fale te oczywiście również uderzają o magnes i kosz głośnika co również nie wpływa pozytywnie. Innym powodem jest to, że dźwięk wytworzony wewnątrz komory głośnikowej przechodzi przez ścianki obudowy na zewnątrz i degraduje dźwięk powstały przez przednią część membrany głośnika, dodatkowo przeszkadzając głośnikowi w pracy wprawiając ścianki obudowy w drgania przy okazji których powstaje tzw. "dźwięk obudowy".

Różne rodzaje materiałów tłumiących:

• mata bitumiczna

• wata syntetyczna

• wełna owcza

• gąbka czopkowa

• rozpraszacze drewniane

• gąbka „piramidkowa”

• kratka metalowa

• filc cienki

• filc gruby

• mata rozpraszająca

Przy wytłumianiu obudowy należy zastosować kilka różnych materiałów w ilościach zależnych od ich pojemności. Jednym z newralgicznych punktów większości komór głośnikowych jest przestrzeń znajdująca się na środku pomiędzy głośnikiem a tylną ścianką oraz centralną częścią komory, powstaje tam skupisko fal stojących. Prostym sposobem ich zminimalizowania jest umieszczenie w tych miejscach np.: zrolowanego materiału tłumiącego np.: waty syntetycznej. Na ścianki można przykleić samoprzylepne maty bitumiczne lub materiał warstwowy (mata bitumiczna z gąbką lub filcem). Sposobów wytłumiania obudowy jest wiele. tak jak jest wiele mistrzów konstruktorów. Stopień wytłumienia komory głośnikowej zależy m.in. od rodzaju i przeznaczenia głośnika, kształtu komory głośnikowej i jej rodzaju. Do wytłumiania obudów stosuje się różne materiały o różnych gęstościach i kształtach. Prawidłowe wytłumienie obudowy wbrew pozorom wcale nie jest takie proste jak mogłoby się zdawać. Aby osiągnąć maksymalnie dobry efekt należy wykonać wiele prób, wiele odsłuchów i wiele pomiarów. Jest to kolejny powód w wyniku którego kolumny znanych producentów są wysoko cenione i są bardzo drogie.

Typowe wielkości wypełnień komór głośnikowych materiałami tłumiącymi:

TYP GŁOŚNIKA	TYP KOMORY	STOPIEŃ WYTŁUMIENIA
wysokotonowy	Wentylowana	brak, częściowe lub całkowite
wysokotonowy	Zamknięta	częściowe lub całkowite
średniotonowy	Zamknięta	częściowe lub całkowite
średniotonowy	Wentylowana	częściowe
średnio-niskotonowy	Zamknięta	częściowe lub całkowite
średnio-niskotonowy	Wentylowana	częściowe
niskotonowy	Zamknięta	częściowe
niskotonowy	Wentylowana	brak lub częściowe

5.2.7 PARAMETRY GŁOŚNIKA

Oprócz parametrów elektrycznych takich jak: moc i impedancja oraz efektywność, głośnik posiada szereg parametrów wynikających z jego cech mechanicznych. A niezbędnych w celu zaprojektowania do niego obudowy. Najważniejszymi parametrami są parametry w skrócie oznaczane jako T-S (skróty od nazwisk dwóch uczonych którzy je zapoczątkowali).

Tab5.2.1 Podstawowe parametry głośnika

SYMBOL	NAZWA	JEDNOSTKA MIARY
Z	impedancja znamionowa	W
ZR	rezystancja promieniowa membrany	
Pe	moc znamionowa	W
SPL	efektywność (mierzona z 1m sygnałem 1W lub 2.83V)	dB
Mms	masa układu drgającego	g
Vb	objętość netto obudowy głośnikowej	L
fb	częstotliwość rezonansu obudowy z otworem	Hz
Xmax	maksymalne liniowe wychylenie membrany	mm
Xdam	maksymalne wychylenie membrany przed uszkodzeniem	mm
BL	Z	N/A

Tab5.2.2 Parametry T/S

PARAMETRY T/S ( Thiele Small )
fs	częstotliwość rezonansu swobodnego głośnika	Hz
fc	częstotliwość rezonansu głośnika w obudowie zamkniętej	Hz
Re	Rezystancja cewki	
Rdc	Rezystancja dla prądu stałego cewki drgającej	
RL	Rezystancja cewki zwrotnicy częstotliwościowej	
Le	indukcyjność cewki	mm
Sd	efektywna powierzchnia membrany	cm^2
B	indukcja magnetyczna	T
BxL		Tm
	współczynnik podatności; =Vas/Vb	-
CMS	podatność mechaniczna membrany	m/N
Vas	objętość ekwiwalentna	L
Qms	dobroć mechaniczna	-
Qes	dobroć elektryczna	-
Qts	dobroć wypadkowa głośnika bez obudowy	-
Qtc	dobroć głośnika w obudowie zamkniętej	-
Rms	Rezystancja mechaniczna	Ns/m

Najważniejsze parametry głośnika to:

1. Fs (Hz) - częstotliwość rezonansowa. Mechaniczny rezonans membrany głośnika mierzony przy swobodnym jej zawieszeniu (bez obudowy). Wynikający z jej ciężaru (ciężar cewki + ciężar membrany) oraz "miękkości" jej zawieszenia. Łatwo mierzalny przez pomiar impedancji przy zmiennej częstotliwości. Częstotliwość rezonansowa występuje przy maksimum impedancji.

2. Vas (dm3) - objętość zastępcza. Wcześniej wymieniona "miękkość" (podatność) zawieszenia oraz wielkość membrany (średnica) wpływa na ten parametr. Czym większa podatność zawieszenia (miękkie zawieszenie) tym objętość zastępcza jest większa. I czym membrana jest większa objętość ta rośnie.

3. Qts - dobroć całkowita. Wynikająca z dwóch parametrów Qms i Qes tak jak Vas parametry te można zmierzyć dysponując odpowiednią aparaturą (np. karta dźwiękowa + program patrz LINKI). I określająca zachowanie się głośnika w momencie rezonansu.

Wszystkie te parametry są podawane przez producenta głośnika. I mówią o zachowaniu (charakterystyce) się głośnika w zakresie niskich częstotliwości. Pozwalają obliczyć dolną częstotliwość przenoszenia bez budowy kolumny i jej pomiarów.

5.2.8 PROJEKTOWANIE OBUDOWY

W celu zaprojektowania obudowy do konkretnego głośnika niezbędne są jego parametry T-S (Thiele-Small). Od tych parametrów zależy rodzaj obudowy do którego dany głośnik najlepiej się nadaje. Podstawowym wyznacznikiem jest parametr Qts (dobroć całkowita) głośnika.

przybliżone wartości Qts:

0,2 > Qts > 0,5 - obudowa bass-reflex

0,33 > Qts > 0,7 - obudowa zamknięta

Od parametru Fs (częstotliwość rezonansowa) zależy dolny próg pasma przenoszenia głośnika. I jest on większy od tej wartości, zależnie od zastosowanej obudowy.Parametr Vas (objętość zastępcza) oraz wartość Qts decyduje o objętości (wielkości) projektowanej obudowy. I jest ona tym większa im większa jest wartość Vas i Qts.

5.2.9 OBUDOWA ZAMKNIĘTA

Niesłusznie nazywana obudową typu compact (compactowa znaczy mała). Jest najłatwiejsza w zaprojektowaniu, praktycznie każdy głośnik może pracować w obudowie zamkniętej. Jednak ze względu na dobre przetwarzanie basu powinien być spełniony warunek:

Fs / Qts < 100

Objętość obudowy zamknietej (nie wytłumionej) powinna być taka aby wartość Qtc (dobroć głośnika w obudowie) leżała w przedziale:

0,5 > Qtc > 1

Do obliczenia jej można skorzystać ze wzoru:

Vb = Vas / (( Qtc² / Qts² ) -1 )

lub też obliczyć wartość Qtc posiadanej obudowy:

Qtc = Qts * pierwiastek z (1 + Vas / Vb)

gdzie:

Vb - objętość obudowy

Qtc - dobroć głośnika w obudowie zamkniętej

Vas , Qts - parametry T-S głośnika

Obliczenia te są dosyć kłopotliwe więc najlepiej korzystać z programów symulacyjnych.

Rys5.2.1 Przykładowe charakterystyki dla różnych dobroci

Najbardziej liniowe pasmo przenoszenia uzyskuje się przy dobroci na poziomie 0,71. Dla wartości Qtc<0,7 przetwarzanie basu jest zbyt słabe. Powyżej wartości 0,7 pojawia się podbicie na charakterystyce i bardzo ostry spadek przetwarzania w dół pasma.

Rys5.2.2 Charakterystyki impulsowe

Najlepszą odpowiedź impulsową ma charakterystyka z Qtc=0,5 jak również i wartość Fc (częstotliwość rezonansowa głośnika w obudowie) jest najniższa.

A więc i najszersze pasmo w dół może ona osiągnąć, jednak przy łagodnym jej spadku i w dość dużej obudowie. Ważną sprawą jest również moc głośnika w obudowie i jest ona większa dla obudowy mniejszej (wyższe Qtc) niż większej (niskie Qtc).

np. dla Fs = 51 Hz, Qts=0,35, Vas=16dm³

Qtc = 1 dla Vb = 2dm³ Fc =145Hz

Qtc = 0,707 dla Vb = 5dm³ Fc =100Hz

Qtc = 0,5 dla Vb = 15dm³ Fc =73Hz

W celu osiągnięcia założonej wartości Qtc (np.0,7) potrzebny jest głośnik o dobroci niższej (Qts<0,7) i im mniejsza obudowa tym wartość Qtc będzie większa jak i wyższa wartość Qts głośnika tym większą obudowę trzeba będzie zastosować. Dlatego też nie zawsze jest możliwe osiągnięcie niskiej wartości Qtc, zapewniającej dobre charakterystyki, z powodu zbyt dużej wartości Qts głośnika. Co ma szczególne znaczenie w obudowie bass-reflex.

5.2.10 OBUDOWA Z OTWOREM (bass-reflex)

Działanie obudowy bass-reflex, skrótowo polega na dodawaniu się ciśnień głośnika z ciśnieniem z otworu obudowy. Co daje zysk w postaci kilku dB w zakresie niskich częstotliwości w porównaniu z obudową zamkniętą. Jednak aby to osiągnąć potrzebny jest głośnik, który po wbudowaniu do obudowy (otwór bass-reflex zasłonięty) da wartość dobroci w granicach Qtc = 0,5 - 0,6. Stąd też wartość Qts głośnika musi być mniejsza (Qts < 0,5). Obudowa może być mniejsza lub większa byle był spełniony warunek:

Qtc = 0,5 - 0,6

Obliczenia można przeprowadzić tak samo jak dla obudowy zamkniętej. Jednak obliczenia dotyczące strojenia otworu obudowy są dość skomplikowane.

Ze względu na wpływ dwóch wielkości, objętości obudowy, co zmienia Qtc, jak i częstotliwości strojenia otworu bass-reflex (jego długość i przekrój). Nie ma jednego sposobu strojenia układu bass-reflex do wyboru mamy całą rodzinę różnych możliwych do osiągnięcia charakterystyk. Zależnych od parametrów głośnika, wielkości obudowy jak i częstotliwości dostrojenia otworu. Najważniejszymi parametrami w tym przypadku są; Vb - objętość obudowy i Fb - częstotliwość dostrojenia otworu bass-reflex. Do prostego obliczania tych wartości służą specjalne tabele, które noszą swoje nazwy jak i wskazują na osiągane kształty charakterystyk. Katalog firmy Inter Technika zaleca posługiwanie się poniższą tabelą:

Tab5.2.3

W tabeli przedstawione są trzy parametry: h, a (alfa), b oraz Qts posiadanego przez nas głośnika. To wszystko jeszcze jest zależne od dobroci obudowy Ql (wartość strat w obudowie). Dobroć ta jest orientacyjnie przypisana do pojemności obudowy.
A tak wyglądają wzory do obliczeń:

objętość obudowy:

Vb = Vas / a

gdzie: Vas - objętość zastępcza głośnika

częstotliwość strojenia otworu:

Fb = Fs * h

gdzie: Fs - częstotliwość rezonansowa głośnika

obliczenie dolnej częstotliwości granicznej przy spadku -3dB:

F3 = Fs * b

Potrzebne jest jeszcze obliczenie parametrów samego otworu, który ma stroić daną obudowę do obliczonej częstotliwości. Najważniejszymi parametrami są pole przekroju i długość, i ze względu na różne kształty otworu obliczenia na wzorach są bardzo trudne.Dlatego najlepiej posłużyć się programem symulacyjnym.

Rys5.2.3 Przykład różnego strojenia obudowy przez zmianę długości tunelu:

Przykład dla tego samego głośnika co zaprezentowana wyżej charakterystyka w obudowie zamkniętej. Jak widać w obudowie bass-reflex głośnik ten ma znacznie lepszą charakterystykę w zakresie basu jednak na pewno gorszą charakterystykę impulsową.
 Przez zmianę wielkości obudowy i jej strojenia, możemy sprawdzić jak zmienią się charakterystyki. Przez co nieświadomie zmieniamy rodzaje strojenia obudowy.

5.3 ZASADA DZIAŁANIA GŁOŚNIKÓW

5.3.1 Działanie i przeznaczenie głośników

Głośniki służą w zasadzie do przetwarzania sygnałów fonicznych na sygnały akustyczne.

Przetwarzanie to odbywa się w układzie pokazanym blokowo na rys. 5.3.1.1 sygnał foniczny doprowadzony do układu napędowego membrany powoduje ruchy drgające membrany.

Ruchy membrany wprawiają w drgania cząstki ośrodka powietrznego wytwarzając w nim fale dźwiękową.

Rys.5.3.1.1

5.3.2 Rodzaje głośników

Ze względu na zasadę działania układu napędowego rozróżniamy :

-elektromagnetyczne

-magnetoelektryczne (dynamiczne).

W praktyce stosuje się najczęściej głośniki magnetoelektryczne (dynamiczne).

W zależności od sposobu pobudzania do drgań powietrza, rozróżnia się głośniki:

• otwarte

• tubowe.

W głośnikach otwartych, najczęściej stosowanych, membrana oddziałuje bezpośrednio na ośrodek powietrzny nadźwiękowianej przestrzeni(pomieszczenia, stadionu, ulic itd.).W głośnikach tubowych sprzężenie membrany z nadźwiękowianym ośrodkiem powietrznym następuje za pomocą tuby.

5.3.3 Głośnik magnetoelektryczny

Gdy przez zwoje cewki przepływa prąd o natężeniu I, na cewkę i sztywno związaną z nią membranę działa siła F(w N)

F=B^.I^.l

gdzie:

B - indukcja magnetyczna w szczelinie z cewką [T]

l - całkowita długość przewodu, z którego jest wykonana cewka.

Siała F powoduje ruch cewki w głąb lub na zewnątrz szczeliny w zależności od kierunku prądu w cewce. Wraz z cewką wykonuje takie same ruchy membrana głośnika. Ruch membrany głośnika do przodu powoduje zagęszczenie, a ruch do tyłu rozrzedzenie powietrza pod membraną. Kolejne zagęszczenia i rozrzedzenia tworzą fale dźwiękową. Głośnik promieniuje w ośrodku powietrznym określoną moc akustyczną P_A.

5.3.4 Efektywność głośnika

Efektywność głośnika wraz z obudową jest określana stosunkiem ciśnienia akustycznego p_A wytworzonego przez głośnik zasilany mocą równa 1 VA, mierzonego na osi odniesienia głośnika w odległości 1m od punktu odniesienia głośnika rys.5.3.4.1, do ciśnienia p_o=2^.10^-5 Pa, przyjętego za ciśnienie odniesienia. Efektywność głośnika wyraża się w decybelach

L_G=20lg(p_A/2^.10^-5)

Efektywność głośnika zależy od częstotliwości tonów promieniowanych przez głośnik. Dlatego efektywność podaje się dla częstotliwości 1000Hz. Przeciętna wartość efektywności głośników średniej jakości wynosi ok.90 dB.

Rys.5.3.4.1

5.3.5 Charakterystyka częstotliwościowa głośnika

Zachowanie się głośnika jest różne dla różnych częstotliwości odtwarzanych przez niego dźwięków. Własności częstotliwościowe głośnika są widoczne na charakterystykach częstotliwościowych głośników -

rys.5.3.5.1

Charakterystyka częstotliwościowa głośnika nazywa się przebieg ciśnienia akustycznego. Mierzonego na osi odniesienia głośnika, w funkcji częstotliwości przy stałej wartości napięcia doprowadzonego do zacisków głośnika.

5.3.6 Częstotliwości charakterystyczne dla głośnika

Dla głośnika charakterystyczne są:

• rezonans mechaniczny membrany występujący w dolnym zakresie częstotliwości akustycznych.

Membrana głośnika wraz z cewką ruchomą i resorem tworzy mechaniczny układ drgający, mający określoną masę M, podatność mechaniczną C_M i tłumienie mechaniczne R_M. Układ ten rys.5.3.6.1 ma swoją częstotliwość rezonansową

rys.5.3.6.1

F_r=1/2∏ MC_M

tj. częstotliwość, z jaką drga membrana głośnika pobudzona jednofazowym impulsem elektrycznym .

Częstotliwość rezonansowa zależy od średnicy membrany głośnika, od jej podatności mechanicznej (miękkości jej zawieszenia) i od budowy głośnika. Dla głośników o dużej średnicy , np. d=300 mm, częstotliwość rezonansu mechanicznego wynosi 30...40 Hz, dla średnic mniejszych jest odpowiednio większa, np. dla D=175 mm wynosi ok.80 Hz, a dla D=100 mm wynosi więcej niż 500 Hz. Membrana głośnika pobudzona do drgań napięciem o częstotliwości rezonansowej wykonuje większe drgania.

Przy tej częstotliwości charakterystyka częstotliwościowa głośnika wykazuje podniesienie. Przy częstotliwościach mniejszych od częstotliwości rezonansu mechanicznego głośnik promieniuje energię bardzo słabo. Poniżej częstotliwości rezonansowej ciśnienie akustyczne wytworzone prze głośnik maleje wraz z częstotliwością ok. 12 dB na oktawę, co oznacza 4-krotne zmniejszenie ciśnienia (12 dB) przy 2-krotnym przy 2-krotnym zmaleniu częstotliwości (oktawa). Dlatego częstotliwość rezonansowa głośnika wyznacza dolną częstotliwość graniczną użytecznego pasma częstotliwości promieniowanego przez głośnik.

- Użyteczne pasmo częstotliwości od częstotliwości rezonansowej do częstotliwości, przy której ciśnienie akustyczne wytwarzane prze głośnik zmniejsza się o 10 dB. Dla głośnika o średnicy D=300 mm wynosi ono np. 30...1000Hz (głośnik niskotonowy), dla głośnika o średnicy D=175 mm 90...9000 Hz (głośnik szerokopasmowy), dla głośnika o średnicy D=100 mm 500...20000 Hz (głośnik wysokotonowy). Przy promieniowaniu przez głośnik stałej mocy akustycznej, amplitudy wychyleń membrany są tym większe, im większe są odtwarzane tony, osiągając przy dużych mocach, małych średnicach głośników i najniższych tonach wartość paru milimetrów.

• Zakres częstotliwości powyżej użytecznego pasma częstotliwości głośnika. Przy większych częstotliwościach odtwarzanych dźwięków reaktancja bezwładnościowa drgającej masy membrany ma duże wartości. W następstwie tego maleją wychylenia membrany i promieniowana moc akustyczna. Poza tym przy większych częstotliwościach powierzchnia membrany nie wykonuje ruchów jako jedna sztywna całość. Powierzchnia membrany ugina się. Części membrany odległe od cewki drgają słabo lub wcale nie drgają, albo drgają z przeciwną fazą. W membranie powstają fale mechaniczne, które przesuwają się promieniowo od cewki do brzegów membrany, jak również centrycznie dookoła membrany. W membranie mogą powstać fale stojące różnego rodzaju i różnych częstotliwościach, zależnie od wymiarów geometrycznych membrany.

Fale stojące w membranie są szkodliwe, ponieważ drgające z przeciwnymi fazami części powierzchni membrany przeciw działają powstaniu fali dźwiękowej. Maleje efektywność głośnika. Równocześnie występują zmiany w charakterystyce kierunkowości promieniowania głośnika.

5.3.7 Poprawa własności głośnika dla tonów wysokich

Uzyskuje się prze wytłoczenie w membranie fałd współśrodkowych rys. 5..3.7.1 Przy odtwarzaniu tonów niskich membrana wykonuje ruch jako całość, głośnik zachowuje się jak głośnik niskotonowy (o dużej średnicy). Fałdy powodują, że przy odtwarzaniu drga tylko stożek bezpośrednio związany z cewką. Dalsze pierścienie stożka, oddzielone fałdami nie drgają. Głośnik zachowuje się jak głośnik wyskotonowy (o małej średnicy membrany).

Nowoczesne głośniki średni- i wysokotonowe mają membranę w kształcie odcinka kuli (kaloty). Kształt ten zapewnia bardziej sztywny układ drgający, bardziej równomierne promieniowanie kierunkowe i nie powoduje zginania się membrany, powstania fal stojących, promieniowania tonów harmonicznych i subharmonicznych.

Rys.5.3.7.1

1-cewka

2-fałdy współśrodkowe

5.3.8 Charakterystyka kierunkowa głośnika

Charakterystyka kierunkowa głośnika jest określana zależnością efektywności głośnika, mierzonej w stałej odległości od głośnika, od kąta względem osi głośnika. Głośniki promieniują na ogół w ten sposób, że przy tonach wyższych promieniowanie skupia się w wąskim stożku wokół osi odniesienia głośnika rys.5.3.8.1 Kierunkowość promieniowania wyostrza się ze zwiększeniem stosunku średnicy głośnika do długości promieniowania prze niego fali (D/λ).

rys.5.3.8.1

W celu poprawienia równomierności promieniowania, tj. zwiększenia kąta, w którym są jednakowo promieniowane wszystkie tony, stosuje się szereg środków :

• rozpraszacze rys.5.3.8.2

• współśrodkowe fałdy w membrany rys.5.3.8.3

• użycie osobnej membrany o małej średnicy rys.5.3.8.4

• ustawienie głośników pod różnymi kątami.

Rozpraszacz stanowi sztywny stożek z metalu lub mas plastycznych, zamocowanych nieruchomo w środku stożka membrany głośnika.

Rys. 5.3.8.2

1-rozpraszacz

Rys.5.3.8.3

1-cewka

2-fałdy współśrodkowe

Rys.5.3.8.4

1-membrana wysokotonowa

2-stożek główny

3-cewka

4-sprzężenie

5.3.9 Zniekształcenia występujące przy odtwarzaniu

Głośniki wprowadzają wiele zniekształceń do odtwarzanego dźwięku. Oprócz zniekształceń częstotliwości, wyróżniających się osłabieniem promieniowania tonów najniższych i najwyższych, głośnik może powodować zniekształcenia nieliniowe i zniekształcenia od przebiegów nieustalonych.

Powodem zniekształceń nieliniowych głośnika rys.5.3.9.1 są głównie nieliniowe zmiany sprężystości zawieszenia membrany (powstawanie tonów harmonicznych i kombinowanych) i zjawisko zginania się powierzchni stożka membrany (powstawanie tzw. tonów podharmonicznych o częstotliwościach 1/2, 1/4 itd. częstotliwości podstawowej).

Rys.5.3.9.1

Zniekształcenia od przebiegów nieustalonych w głośniku są spowodowane okresowymi drganiami własnymi (tłumionymi) membrany głośnika. Zniekształcenia te są słyszalne jako głuche dudnienie, towarzyszące dźwiękom odtwarzanym.

5.3.10 Moc i impedancja znamionowa głośnika

Moc znamionową głośnika podaje producent. Jest to największa wartość elektrycznej mocy (pozornej), na którą głośnik został zaprojektowany i którą może być obciążony w sposób trwały, nie wykazując uszkodzeń mechanicznych oraz nadmiernych zniekształceń. W zależności od wymaganej wartości natężenia dźwięku odtwarzanego są budowane głośniki o mocy znamionowej (pozornej mocy elektrycznej sygnału fonicznego) od ułamków woltoampera do kilkudziesięciu woltoamperów : 0,1-0,2-0,5-1-1,5-2-3-5-10-20-30-50 VA.

Rys.5.3.10.1

Taka maksymalna moc sygnału fonicznego może być doprowadzona ze wzmacniacza do głośnika. W tym celu każdy głośnik jest zasilany przez odpowiedni wzmacniacz mocy (wzmacniacz głośnikowy), sterowany sygnałem fonicznym. Do wejścia wzmacniacza jest dołączona cewka ruchoma głośnika o impedancji znamionowej Zn=2-4-8-15-25-50-100 Ω, bezpośrednio lub przez transformator głośnikowy. Impedancję znamionową głośnika określa najmniejsza wartość modułu impedancji, występująca przy częstotliwości leżącej powyżej częstotliwości rezonansu mechanicznego głośnika rys.5.3.10.1 .

5.3.11 Znaczenie sprawność głośnika dla głośnika otwartego

Stosunek wypromieniowanej mocy akustycznej P_A do mocy elektrycznej P_E doprowadzonej do głośnika nazywa się sprawnością głośnika.

η= P_A/ P_E

Wypromieniowana moc akustyczna P_A jest mocą przekazywaną przez drgajacą membranę ośrodkowi powietrznemu w warunkach pola swobodnego.

Moc elektryczna P_E jest mocą pozorną, jako źródło może oddawać odbiornikowi doń dopasowanemu lub wg zaleceń IEC określa się kwadratem wartości skutecznej napięcia na impedancji znamionowej głośnika.

W przypadku drgania membrany w próżni moc akustyczna P_A jest równa zeru. W obwodzie elektrycznym głośnika rys.5.3.11.1 występuje wówczas R_C i indukcyjność L_C cewki drgającej, jeżeli pominie się straty mechaniczne. Moc P_E doprowadzona do głośnika wydziela się w cewce całkowicie w postaci ciepła. Gdy membrana drga w powietrzu ośrodek powietrzny zostaje wprawiony w drgania. Membrana obciążona przez ośrodek powietrzny oddaje energię akustyczna do tego ośrodka. Równocześnie oddziałuje on tłumiąco na jej drgania. Obciążenie membrany ośrodkiem powietrznym objawia się występowaniem w obwodzie elektrycznym głośnika rys. 5.3.10.1 dodatkowej rezystancji elektrycznej R_pr (rezonacji promieniowania) głośnika.

Sprawność głośnika zależy od stosunku rezystancji promieniowania R_pr do sumy rezystancji rezystancji promieniowania R_pr i rezysnacji cewki R_C zgodnie ze wzorem

η= R_pr/ R_pr+ R_C

rys.5.3.11.1

Im większy jest stosunek R_pr/ R_C' tym większa jest sprawność głośnika. Gdy sprzężenie membrany z ośrodkiem powietrznym jest bezpośrednie (głośnik otwarty), obciążenie membrany przez powietrze, a więc i rezystancja promieniowania R_pr jest bardzo mała. Można zwiększyć obciążenie membrany przez ośrodek powietrzny, a więc i sprawność jej promieniowania, przez powiększenie membrany (głośnik otwarty) lub przez zastosowanie tuby jako elementu sprzęgającego membranę z ośrodkiem powietrznym (głośniki tubowe).

Sprawność η głośnika otwartego zależy od wielu czynników (rozmiarów membrany, indukcji magnetycznej w szczelinie, wykonania cewki) i zmienia się wraz z częstotliwością tonów promieniowanych przez głośnik. Typowy przebieg sprawności głośnika otwartego w zależności od częstotliwości, tj. charakterystykę sprawności głośnika pokazano na rys.10. Głośnik wykazuje jednakową sprawność tylko w użytecznym pasmie częstotliwości. Sprawność głośnika silnie zwiększa się dla częstotliwości w pobliżu rezonansu mechanicznego membrany.

Przeważnie głośniki otwarte są przetwornikami o małej sprawności (0,1...2%), prawie cała energia elektryczna zostaje wydzielona w cewce głośnikowej w postaci ciepła. W tych warunkach cewka ruchoma stanowi właściwie grzejnik. Długotrwałe, ciągłe zasilanie głośnika dużymi mocami (np. gdy głośnik odtwarza ton ciągły o ciągły o częstotliwości 1000 Hz) może spowodować uszkodzenie cewki głośnikowej wskutek jej zdeformowania w wyniku zbyt silnego nagrzania.

5.3.12 Działanie tuby

W układzie akustycznym tuba odgrywa taka samą role co transformator w układzie elektrycznym. Zamienia małą impedancje akustyczną bezpośredniego oddziaływania ośrodka powietrznego na membranę na dużą impedancję obciążenia membrany.

Działanie tuby można przedstawić następująco. Założenie tuby przed drgająca membraną powoduje, że przed lub za membraną powstaje niewielka komora powietrzna rys. 5.3.12.1. Cząstki powietrza zagęszczone przez membranę mają utrudniony przepływ wskutek małego otworu wylotu tuby. Wskutek tego membrana napotyka duży opór ze strony powietrza sprzężonego w komorze. Zwiększony opór akustyczny z kolei oznacza większą moc oddawaną ośrodkowi.

W komorze powietrznej przed membraną wystąpią duże ciśnienie przy małej prędkości akustycznej (duża impedancja akustyczna Z_A=p_A/v_A). W tubie następuje transformacja dużych ciśnień (małych prędkości) akustycznych u wlotu na małe ciśnienia (duże prędkości) akustyczne u wylotu. Następuje to przez stopniową zmianę przekroju tuby od najmniejszego przy wlocie do największego przy wylocie.

Pasmo częstotliwości przenoszonych przez tubę, zwłaszcza przenoszenie tonów niskich, zależy od rozmiarów tuby :

• powierzchni wylotu

• i długości tuby.

Im większe rozmiary tuby, tym przenoszone tony są niższe. Na przykład do odtwarzania tonów o częstotliwościach ok. 30 Hz byłaby potrzebna tuba o średnicy otworu wylotowego ok. 3,5 m i długości ok. 8 m. Dlatego głośniki buduje się jako głośniki średnio i wysokotonowe.

rys.5.3.12.1

a)tuba stożkowa

1-cewka ruchoma

2-membrana

3-magnes pierścieniowy

b)tuba wykładnicza

4-wlot tuby

5-wylot tuby

c)tuba załamana

5.3.13 Zalety głośników tubowych i ich zastosowanie

Głośniki magnetyczne tubowe są przetwornikami o dużej sprawności, rzędu 20...30 %. Przy stosunkowo małych rozmiarach są one zdolne duże moce akustyczne, wynoszące kilka watów. Umożliwiają uzyskanie określonych charakterystyk kierunkowości promieniowania, jednakowych w całym paśmie akustycznym. Te zalety głośników magnetycznych tubowych spowodowały, że stosuje się je w kinach, teatrach, stadionach itp. oraz jako przenośne megafony do celów informacyjnych i szkoleniowych (dla instruktorów sportowych, na wozach policyjnych, straży pożarnej itd.).

5.3.14 Zgodność fazowa działania głośników

Zgodność fazową dwóch jednakowych głośników można sprawdzić ustawiając je w odstępie 40 cm i dołączając do wzmacniacza wysterowanego sygnałem o małej częstotliwości. Gdy zatyka się jedno ucho i przesuwa głowę od jednego głośnika do drugiego, wtedy, jeżeli głośniki nie działają zgodnie fazowo, to znika dźwięk dokładnie w środku między oboma głośnikami, gdyż w tym miejscu wpadające do ucha fale mają jednakową amplitudę, ale przeciwną fazę (180⁰).

Fazę jednego głośnika można wyznaczyć zasilając głośnik ze źródła prądu stałego (bateryjki lub akumulatora). Przepływ prądu spowoduje w chwili włączenia wyczuwalny dotykiem końca palca ruch membrany do środka lub na zewnątrz. Znakuje się zaciski głośnika, do którego dołączony biegun dodatni źródła powoduje ruch membrany na zewnątrz. Tak oznaczone i połączone ze sobą zaciski dwóch lub więcej głośników, zasilane przez wzmacniacz, zapewnią zgodność fazową działania.

5.3.15 Stereofonia

Stereofonią nazywa się technikę przekazu dźwięku w taki sposób, aby słuchacz mógł określić kierunkową lokalizację poszczególnych źródeł dźwięku. W stereofonii dźwięki odbierane przez słuchacza nie są skupione w jednym miejscu (np. w miejscu ustawienia głośnika), lecz są rozłożone przestrzennie - tworzą obraz dźwiękowy, w którym poszczególne źródła dźwięku (instrumenty, śpiewak itp.) można umiejscowić na lewo, bliżej środka, w środku, od środka na prawo itp.

5.3.16 Realizacja stereofonii

Stereofonie realizuje się przez odsłuch słuchawkowy (stereofonia słuchawkowa) lub głośnikowy (stereofonia głośnikowa).

W systemach głośnikowych stereofonii dwukanałowej (dwutorowej) wrażenie kierunkowego rozmieszczenia źródeł dźwięku uzyskuje się przez umieszczając przed słuchaczem dwa głośniki odpowiednio rozsunięte rys. 5.3.16.1 Słuchacz umieszczony między tymi dwoma głośnikami słyszy poszczególne źródła dźwięku z różnych kierunków z przestrzeni od głośnika lewego do głośnika prawego.

W celu uzyskania wrażenia kierunkowego rozmieszczenia źródeł w odtwarzanym obrazie dźwiękowym głośniki należy zasilać dwoma odpowiednimi sygnałami fonicznymi „lewym” i „prawym”. Sygnały te mogą się różnić między sobą tylko fazą (stereofonia fazowa) lub tylko natężeniem (stereofonia natężeniowa) albo fazą i natężeniem (stereofonia natężeniowo-fazowa).

rys. 5.3.16.1

1

---