Zestawy głośnikowe

ALEKSANDER WITORT

Biblioteka Główna ATR w Bydgoszczy

000000065490

.

Wydawnictwo Czasopism i Książek Technicznych NOT-SIGMA

Warszawa 1986

r

5>pis treści

strony tytułowej

Projekt okładki Andrzej Pilich

,.

W książce podano podstawowe wiadomości o głośnikach i zestawach głośnikowych przeznaczo­nych do użytku domowego i do nagłośniania większych pomieszczeń. Omówiono różne typy głośników i różne rodzaje obudów stosowanych w zestawach głośnikowych, podano także zalecenia co do ich stosowania. Czytelnik znajdzie również wskazówki dotyczące wykonania zestawów głośnikowych we własnym zakresie.

Książka jest przeznaczona zarówno dla tych, którzy interesują się urządzeniami elektroakustycz­nymi, jak i tych, którzy zamierzają sami wykonać zestaw głośnikowy.

Redaktor

mgr inż. Barbara Osuchowska

Redaktor techniczny Władysława Nasternak

Korektor Gertruda Platonoff

© Copyright by Wydawnictwo Czasopism i Książek Technicznych NOT-SIGMA, Warszawa 1986

Od Autora ...................... 7

1. Dźwięk i fale dźwiękowe ............... 8

2. Głośniki ..................... 15

3. Zestawy głośnikowe ................. 29

4. Zestawy głośnikowe zamknięte ............. 36

5. Zestawy głośnikowe z otworem ............. 39

6. Głośniki i zestawy tubowe oraz zestawy labiryntowe ..... 45

7. Profesjonalne zestawy głośnikowe ............ 50

8. Konstruowanie obudów ................ 57

9. Filtry elektryczne zestawów głośnikowych ......... 63

10. Projektowanie amatorskiego zestawu głośnikowego ...... 76

11. Badanie i ocena zestawów głośnikowych. ......... 87

Dodatek. Dane techniczne głośników ZGW Tonsil ....... 95

ISBN 83-85001-10-7

Printed in Poland

Wydawnictwo Czasopism i Książek Technicznych

NOT-SIGMA, Warszawa 1986

Wydanie I. Nakład 60370 egz.

Ark. wyd. 6,5. Ark. druk. 6.

Papier offset, rola 70 cm, III kl., 70 g.

Skład: Wrocławska Drukarnia Naukowa.

Druk: Olsztyńskie Zakłady Graficzne

im. Seweryna Pieniężnego

10-417 Olsztyn, ul. Towarowa 2.

Zam. 458 T-78/82

Od Autora

Muzyka jako taka jest sztuką. Wkroczyła w życie współczesnego człowieka tak szeroko i głęboko, jak żadna z innych sztuk. Trudno przecenić wpływ muzyki na świat emocjonalny każdego z nas, a także jej udział w całokształ­cie kultury współczesnego człowieka. Żyjemy w epoce wielkiej dostępności muzyki. Fonografia, radiofonia i telewizja udostępniły muzykę wszystkim. Praktycznie każdy może dziś korzystać z dorobku muzycznego ludzkości.

Końcowym ogniwem każdego toru elektroakustycznego jest głośnik lub zestaw głośnikowy. Pełnią one nadzwyczaj ważną funkcję przetwarzania sygnałów elektrycznych na dźwięki. Od ich jakości zależy w dużym stopniu jakość muzyki odtwarzanej za pomocą urządzeń elektroakustycznych. Wielki postęp, który nastąpił w ostatnich latach w zakresie środków zapisu i przenoszenia sygnałów dźwiękowych, takich jak gramofony, magnetofony oraz płyty z zapisem cyfrowym i płytofony do ich odtwarzania, umożliwia doskonalenie głośników i zestawów głośnikowych. Systematyczny postęp technologiczny w tej dziedzinie jest widoczny. Wzrosła także znacznie wiedza o przetwornikach elektroakustycznych, zwiększyły się możliwości obiektyw­nych pomiarów ich parametrów, przebadano warunki, w jakich przeciętny słuchacz korzysta z muzyki w domu. Wszystko to wywarło znaczny wpływ na jakość techniczną odtwarzania dźwięków.

Konstruowanie zestawów głośnikowych we własnym zakresie jest obecnie szeroko rozpowszechnione w całym świecie. Motywem tego mogą być zarów­no względy ekonomiczne, jak i zamiłowania techniczno-konstruktorskie, a także próby konstruowania zestawów głośnikowych lepszych niż standardo­we, dostarczane przez producentów, bądź zestawów specjalnych, których nabycie jest praktycznie niemożliwe.

W książce podano zasób wiadomości umożliwiających każdemu amatoro­wi rozpoczęcie działalności w tej dziedzinie. Książkę warto przeczytać całą, a następnie korzystać z rozdziałów przydatnych do realizacji określonego celu.

Warszawa, w czerwcu 1984

1. uzwięk i tale dźwiękowe

Dźwięk jest zaburzeniem falowym w powietrzu lub w innym środowisku sprężystym, wywołującym wrażenia słuchowe. Fale wywołujące wrażenia słuchowe nazywamy falami dźwiękowymi. Dźwięki docierają do nas z powiet­rza lub niekiedy przez przewodnictwo kostne czaszki.

Fale dźwiękowe powstają w wyniku drgań mechanicznych (brył, płyt, membran itp.), które z kolei powodują ruchy cząstek w powietrzu. Za­wirowania wywołujące fale dźwiękowe tworzą się wokół gwizdków, piszcza­łek i syren; są także wywoływane przez wiatr, sztuczne wyładowania elek­tryczne i pioruny.

Fale dźwiękowe w powietrzu są falami podłużnymi. Cząstki tego środowis­ka poruszają się bowiem równolegle do kierunku rozchodzenia się fali. Prześledźmy mechanizm rozchodzenia się fali dźwiękowej wywołanej dużą płaszczyzną drgającą — tłokiem drgającym (rys. 1-1). Gdy tłok porusza się ku przodowi, cząstki powietrza są popychane i wskutek swej bezwładności zagęszczają się przy tłoku, nabierając prędkości równej prędkości tłoka.

Kok drgający

Rys. 1-1. Mechanizm wytwarzania

fali dźwiękowej za pomocą tłoka

drgającego

Nawet wówczas, gdy tłok się zatrzyma, rozpędzone cząstki oddalają się od niego i pędzą nadal ku przodowi, potrącając i wprawiając w ruch cząstki znajdujące się przed nimi. Przy samym tłoku, między nim a pędzącymi do przodu cząstkami, powstaje po pewnym czasie rozrzedzenie. Powoduje ono hamowanie poruszających się do przodu cząstek, a następnie zmianę kierun­ku ich ruchu na przeciwny, tak że odrywają się one od cząstek znajdują-

się uprzednio przed nimi. Tłok drgający po osiągnięciu drugiego oółożenia krańcowego (tylnego) posuwa się ponownie do przodu. Cofające się cząstki zderzają się z nim, skupiają przy jego powierzchni i ponownie zmieniają kierunek. Część energii tłoka zostaje przekazana cząstkom leżącym w różnych odległościach od tłoka; jest to energia wysyłana w postaci fali. Rozważmy teraz zachowanie się cząstek powietrza oddalonych od tłoka drgającego. Przebywające w stanie określonej równowagi cząstki powietrza potrącane przez cząstki znajdujące się bliżej tłoka i przesuwane; tworzy się ich lokalne zagęszczenie, które — wobec sprężystości powietrza — powoduje no chwili powrotny ruch przesuniętych cząstek. Wskutek bezwładności cząs­tek przy ich cofaniu się tworzy się rozrzedzenie. Cząstki wykonują ruch drgający wokół położenia spoczynkowego, zagęszczenie zaś i rozrzedzenie rozprzestrzeniają się z określoną prędkością; powstaje fala dźwiękowa.

Falę dźwiękową przedstawioną na rys. 1-1 nazywamy płaską, ponieważ jej czoło tworzy płaską powierzchnię. Czołem fali nazywamy miejsce geomet­ryczne punktów w przestrzeni wyznaczone przez cząstki środowiska mające jednakową fazę drgań i znajdujące się w jednakowej odległości od źródła. Są także inne rodzaje fal. Falę kulistą wytwarza źródło w postaci drgającej kuli. W praktyce mamy do czynienia z falami o czole przypominającym mniej lub bardziej wypukłe czasze.

Długość fali dźwiękowej jest to odległość między dwoma sąsiednimi zagęszczeniami lub rozrzedzeniami cząstek środowiska. Długość fali można również określić jako odległość między dwiema najbliższymi cząstkami o identycznej fazie ruchu.

Długość fali zależy od prędkości rozchodzenia się fali w danym środo­wisku i od częstotliwości drgań źródła. Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w powietrzu przy temperaturze 20°C wynosi 340 m/s. Przyjęto, że zakres częstotliwości drgań źródeł dźwięku wynosi od 16 do 20000 Hz. W związku z tym długość fal dźwiękowych w powietrzu wynosi odpowiednio od 21 do 0,017 m. Przy częstotliwościach 100, 1000 i 10000 Hz, ocenianych subiektywnie jako ton niski, ton średnio-wysoki i ton bardzo wysoki, długoś­ci fal wynoszą odpowiednio: 3,4 m, 0,34 m i 0,034 m.

W powietrzu mamy określone ciśnienie statyczne, zależne od warun­ków atmosferycznych. Przepływ fali dźwiękowej powoduje nakładanie się zmiennej (dynamicznej) wartości ciśnienia na tę wartość statyczną. Przyrost ciśnienia spowodowany falą dźwiękową nazywamy ciśnieniem akustycznym. Jednostką ciśnienia jest l paskal (Pa)*. Rozróżniamy wartość chwilową ciśnienia akustycznego, wartość amplitudy jego zmian okresowych oraz wartość skuteczną ciśnienia. Warto przypomnieć, że ucho ludzkie i większość mikrofonów są układami czułymi właśnie na zmiany ciśnienia akustycznego, fala dźwiękowa — tak jak i inne fale — odbija się od napotkanej Przeszkody. Na rysunku l-2a widzimy odbijanie się fali płaskiej od płaskiej

l Pa = l n/itt = 10 ubar = 10 dyn/cm².

r

o)

Fala padająca

Fala odbiła

5' V 3' 2' 1'

powierzchni, a na rys. l-2b odbijanie się fali o czole półkolistym. Przyjrzyjmy się tym rysunkom. Przy całkowitym odbijaniu się fali można wyznaczyć miejsce pozornego źródła fali odbitej (punkt O' na rys. l-2b). Przeszkoda — ściana na drodze fali — może mieć takie własności, że fala padająca częściowo się od niej odbija, a częściowo przez nią przenika do środowiska znajdującego się poza przeszkodą. Energia fali padającej rozdziela się wów­czas między te dwie fale pochodne. W warunkach rzeczywistych najczęściej mamy do czynienia z takim właśnie częściowym odbijaniem się fali dźwię­kowej.

fali, nie powoduje prawie żadnego zaburzenia. Zjawisko uginania się fal ma istotny związek z własnościami źródeł dźwięku, m.in. głośników, gdyż wytwo­rzenie fal o wielkiej długości za pomocą membran głośników o ograniczo­nych wymiarach napotyka duże trudności.

Rys: 1-2. Odbijanie się od powierzchni płaskiej fal: a) płaskiej; b) o czole w kształcie okręgu

Interesujące i ważne z praktycznego punktu widzenia jest zachowanie się fali napotykającej przeszkodę o ograniczonych wymiarach. Stwierdzono, że fale pojawiają się także za przeszkodą, w przestrzeni, w której nie należałoby się ich spodziewać, w tzw. przestrzeni „cienia". Jest to wynikiem zjawiska, które nazywamy uginaniem się fali lub dyfrakcją fali. Powstaje ono dzięki temu, że każde miejsce fali padającej może być źródłem nowych fal elemen­tarnych. Na krawędzi przeszkody powstają fale o czole stanowiącym część okręgu, wycinek cylindra bądź wycinek kuli; przenikają one do przestrzeni znajdującej się poza przeszkodą. Mechanizm ten widzimy też na rys. 1-2; np. w miejscu 5' powstaje fala o czole kolistym, która rozprzestrzeniałaby się we wszystkich kierunkach, gdyby powierzchnia odbijająca kończyła się tuż za miejscem odbicia. Decydujące znaczenie mają wymiary przeszkody w stosun­ku do długości fali. Duża przeszkoda, o szerokości kilkudziesięciu długości fal, rzuca duży „cień". Mała przeszkoda, o wymiarach mniejszych niż długość

Rys. 1-3. Charakterystyki kierunkowości promieniowania fali przez kołowy tłok drgający o promieniu r₀ (przy różnych wartościach stosunku r₀/A)

Kierunkowość rozchodzenia się fali dźwiękowej, czyli zdolność źródła do promieniowania energii w określonym kierunku, zależy od stosunku wymia­rów źródła do długości fali. Na rysunku 1-3 widzimy charakterystyki kierun­kowości emitowania fali przez kołowy tłok drgający, umieszczony w nieskoń­czenie wielkiej odgrodzić, dzielącej całą otaczającą przestrzeń na dwie części. Przyjrzyjmy się tym charakterystykom. Jeżeli promień tłoka jest równy długości fali (lub od niej dłuższy), to energia źródła emitowana w postaci fali dźwiękowej jest promieniowana w małym kącie bryłowym. I przeciwnie, mały tłok w odgrodzie wytwarza falę o czole zbliżonym do półkuli. Jeżeli dane z rys. 1-3 porównamy z długościami fal dźwiękowych, to stwierdzimy, że fale odpowiadające dźwiękom wysokim rozchodzą się ze źródeł (np. głośników i instrumentów muzycznych) w określonym kierunku. Fale odpowiadające dźwiękom niskim są emitowane we wszystkich kierunkach.

Nakładanie się dwóch fal dźwiękowych lub większej ich liczby sprawia, że w danym miejscu przestrzeni fale te dodają się lub odejmują. Zjawisko to nazywamy interferencją. W miejscach, w których fazy fal są zgodne, ich amplitudy się sumują, a fala wypadkowa ma amplitudę większą. W miejscach zaś, w których fazy fal są przeciwne, występuje znoszenie się fal.

Rozmieszczenie wszystkich tych miejsc w przestrzeni zależy od długości fali i rozmieszczenia źródeł. W praktyce interferencja fal występuje np. wówczas, gdy dwa głośniki emitują fale o długości mniejszej niż odległość między tymi głośnikami. Różnica długości dróg może być równa połowie długości fali i wówczas występuje niekorzystna interferencja. Niekorzystna interferencja fali biegnącej wprost z głośnika i fali odbitej od podłogi

10

11

pomieszczenia odsłuchowego powoduje wygasanie dźwięku w otoczeniu gło­wy słuchacza.

W wyniku interferencji mogą także powstawać tzw. fale stojące. Dzieje się to wówczas, gdy ciągi fal o identycznej długości biegną w przeciwnych kierunkach i występuje wzajemne oddziaływanie fal padających i fal odbi­tych. Fale stojące powstają w każdym pomieszczeniu zamkniętym. Powsta­wanie fal stojących w pomieszczeniu odsłuchowym jest niekorzystne.

Fale stojące powstają także w piszczałkach instrumentów muzycznych, które można rozpatrywać jako rury otwarte u obu końców i rury zamknięte u jednego końca. Częstotliwości, przy których powstają w nich fale stojące, nazywamy rezonansowymi. Przy tych częstotliwościach akumuluje się w rurze energia akustyczna i powstają zjawiska analogiczne do występujących pod­czas rezonansu. Tutaj jednak, w instrumentach muzycznych, fale stojące wykorzystuje się w sposób celowy, czyli są one w tym przypadku zjawiskiem pożytecznym.

Gdy źródło dźwięku zbliża się do odbiorcy bądź od niego oddala, występuje tzw. zjawisko Dopplera. Mamy z nim do czynienia np. w głośniku, którego membrana wykonuje równocześnie dwa rodzaje drgań: drgania o dużej amplitudzie i małej częstotliwości oraz drgania o większej częstotliwoś­ci. Ruch membrany w przód i w tył powoduje zmianę wysokości dźwięku o częstotliwości większej w takt częstotliwości mniejszej. Pojawiają się nowe składowe dźwięku, które uważamy za zniekształcenia, jako że brak ich w oryginale.

Fala dźwiękowa w wodzie jest falą podłużną, a jej prędkość wynosi średnio 1450 m/s, czyli jest ponad czterokrotnie większa niż w powietrzu. W materiałach budowlanych prędkość rozchodzenia się dźwięku wynosi od 1500 do 4000 m/s. W metalach sprężystych prędkość dźwięku osiąga 4000 do 5000 m/s.

Płyty i skrzynie z drewna i materiałów podobnych pobudzone do drgań drgają w sposób bardzo złożony; jest to jedna z zasadniczych trudności konstruowania dobrych obudów zestawów głośnikowych.

Dźwięki muzyczne

Dźwięki muzyczne są wytwarzane głosem ludzkim i za pomocą instrumen­tów muzycznych. Wśród instrumentów muzycznych wyróżniamy cztery nas­tępujące ich rodzaje:

— strunowe;

— aerofoniczne;

— perkusyjne;

— elektryczne i elektroniczne.

Do drgań poprzecznych strunę pobudza się smyczkiem, uderzeniami młotka lub szarpnięciami. Na sposób drgań struny duży wpływ wywiera

12

_rwjib> _ _f dążenia i ampmuua jej urg>""- ~« "na, oprócz drgań poprzecz-n*ych, może wykazywać drgania podłużne i sktę_tne Najmniejszą częstotli­wość' drgań nazywamy częstotliwością podstawową struny, a częstotliwości większe - częstotliwościami przytonów-

Wszystkie instrumenty strunowe są ^wyP^osa£one w pudła rezonansowe; mają one wielki wpływ na brzmienie instrumentu. Struna, wobec swej bardzo małej powierzchni, nie jest w stanie wyt^worzyć fal dźwiękowych o odpowied­nio dużej energii, zwłaszcza w zakresie tonów niskich.

Działanie instrumentów aerofonicznych opiera _sj_{ę na} wykorzystaniu zasa­dy piszczałki, czyli rezonansowych drg^ń słupa p_owi_etrza w rurach metalo­wych i drewnianych.

Instrumenty perkusyjne należą do najprostszy^ konstrukcyjnie instru­mentów muzycznych. Dźwięki wywołuje się ude_r^_eniami pałec^ młotków, prętów metalowych bądź uderzeniami ° siebie d_wó_Cn części instrumentu. Większość tych instrumentów wytwarza bardzo s_?eroki_e widmo częstotliwoś­ci. Dźwięki tych instrumentów są bardz° ^cnarakte_rystyczne, lecz nieokreślone pod względem ich wysokości. Wierne _odtworzeni_{e tycn} dźwięków za pomocą przetworników elektroakustycznych przedstawia _największe trudności.

Pierwsze instrumenty elektryczne pojawiły się _{na poc}zątku naszego wie­ku, jednak dopiero w latach trzydziestych znałaby _{one szersze} zastosowanie praktyczne (głównie jako tzw. organy el^ektry^czne). Ostatnio rozwój elektroni­ki stworzył zupełnie nowe możliwości Konstruo\v_anj_a różnorodnych elektro­nicznych instrumentów muzycznych. Swego r_Ocj_zaj_u rewolucją stało się skonstruowanie syntezatora muzycznego dźwiękó_{W5 czy}ij urządzenia zdolne­go do wytwarzania dowolnych dźwięk£^w> ^nie znajdujących odpowiednika w możliwościach dźwiękowych dotychcza⁸ znanych instrumentów.

Wyobraźmy sobie kilkudziesięcioosobową orkj_{estrę W}y_stę_pującą razem z chórem. Dźwięki wytwarzane przez taP zespół _Są odpowiednio uporządko­waną muzycznie sumą dźwięków instrumentów j _g}_osow. Złożoność takiego dźwięku jest ogromna.

W przypadku przetwornika elektroakustycznego, jakim jest głośnik, sto­suje się mało w naturze rozpowszechniony i w _zasadzie dość prymitywny sposób wytwarzania dźwięku za pomo^c3 ^dr§^ając_ej membrany. Jednocześnie głośnikowi lub zestawowi kilku głośniK°^w stawj_{a s}j_{ę za}danie przetwarzania wszystkich słyszalnych dźwięków w sposób bard*_{0 w}i_erny i _ze znaczną mocą. Jak sami wiemy, rozwiązanie takiego gadania napotyka wciąż wielkie trud­ności.

Niektóre wielkości charakteryzujące dźwi^j

Do podstawowych wielkości charal£teryzujący_ch ^^^ należą: moc akustyczna, natężenie dźwięku i pozio^{01 na}tężetij_a dźwięku.

Moc akustyczna P_a jest to ilość energ^{11 w}y^syła_nej _przez źródło w jednostce czasu. Moc akustyczną określa się w watach (W). \yi_elką rozpiętość wartości

13

mocy wykazują naturalne źródła dźwięku; moc szeptu ocenia się na 10 ⁹ do~ 10~⁷ W, a moc przeciętnego głosu ludzkiego wynosi 10~³ W. Moc najcich­szych dźwięków skrzypiec wynosi ok. 10~⁴ W, a szczytowa moc wielkiej orkiestry symfonicznej osiąga 70 W. Niebywale wielką moc akustyczną rzędu setek tysięcy, a nawet milionów watów, wytwarzają samoloty odrzutowe i rakiety.

Moc akustyczną wyraża się często w jednostkach logarytmicznych jako poziom mocy wyrażony w decybelach (dB) w odniesieniu do mocy 10~¹² W. Moc akustyczna l W ma poziom mocy równy 120 dB.

Natężeniem dźwięku nazywamy moc akustyczną przypadającą na jednost­kę powierzchni prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali dźwiękowej. Natężenie dźwięku wyraża się w watach na metr kwadratowy (W/m²).

Poziomem natężenia (intensywnością) dźwięku nazywamy wyrażony w de­cybelach stosunek natężenia danego (badanego) dźwięku do natężenia równe­go 10~¹² W/m², przyjętego umownie za poziom zerowy. Oto kilka przykła­dów wartości poziomu natężenia dźwięku:

100 dB odpowiada 0,01 W/m² -

60 dB odpowiada 10~⁶ W/m² -

40 dB odpowiada 10"⁸ W/m² -

OdB odpowiada 10"¹² W/m² -

nadzwyczaj) głośne dźwięki; intensywność dźwięków przeciętnej rozmowy;

poziom hałasów dość cichego pomie­szczenia mieszkalnego; umownie przyjęta granica słyszalności tonów średnich (ciśnienie akustyczne odpowiadające temu poziomowi natę­żenia dźwięku wynosi 0,2-10~⁵ Pa).

[ośmki

pierwsze głośniki konstruowano korzystając z dużych słuchawek telefo­nicznych z metalową membraną; aby polepszyć sprawność działania tych przetworników elektroakustycznych, dodano do nich odpowiednie tuby. Głośniki przenosiły wąskie pasmo częstotliwości akustycznych, a wytwarzany dźwięk był silnie zniekształcony.

Znacznym postępem było zastosowanie głośników elektromagnetycznych ze stożkową membraną papierową. Zasadę działania takiego głośnika poka­zano na rys. 2-1. Na silnym magnesie trwałym 4 znajdują się cewki 3, przez które przepływa prąd zasilający głośnik. W niewielkiej odległości od biegu­nów magnesu znajduje się sprężysta blaszka stalowa, do której jest przymo­cowana membrana l ze sztywnego papieru. Gdy przez cewki przepływa prąd zmienny, zmienia się siła, z jaką jest przyciągana blaszka stalowa 2 z membraną. Ruch drgający membrany powoduje promieniowanie dźwięku. W latach 1922—1930 powstało wiele udanych konstrukcji głośników elektro­magnetycznych ze stożkową membraną papierową. Głośniki te były stosowa­ne w popularnych odbiornikach radiofonicznych do r. 1940.

Rys. 2-1. Budowa głośnika elektromagnetycznego l ~ membrana papierowa; 2 — sprężysta blaszka stalowa (kotwica); 3 — cewki; 4 — magnes trwały

W roku 1924 C. W. Riec i E. W. Kellog wynaleźli głośnik magnetoelek-tryczny, nazywany powszechnie głośnikiem dynamicznym. Bezpośrednią przy­czyną pobudzającą wynalazców do działania była potrzeba skonstruowania głośnika o większej mocy, mającego przy tym lepsze parametry. Nie spodzie-

15

wano się wówczas,, ze ten rodzaj giosnika zrobi niebywałą karierę i zapanuje w zasadzie niepodzielnie wszędzie tam, gdzie jest potrzebne przetwarzanie przebiegów prądu elektrycznego na dźwięki mowy i muzyki. I dzisiaj także nic jeszcze nie wskazuje na jakiekolwiek zagrożenie tej dominującej pozycji głośników dynamicznych, jaką uzyskały.

Rys. 2-3. Szczelina głośnika dynamicznego z cewką krótką i z cewką długą

Rys. 2-2. Budowa głośnika dynamicznego (magnetoelektrycznego)

Na rysunku 2-2 pokazano w przekroju budowę głośnika dynamicznego. Można w nim wyróżnić następujące zasadnicze zespoły i elementy: obwód magnetyczny z silnym magnesem trwałym, membranę stożkową 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 (odgrody akustycznej).

„oTctórym uwidoczniono również przebieg linii sił pola magnetycznego w strefie szczeliny. Jeżeli membrana głośnika ma drgać z dużą amplitudą (np. w _przypadku głośników niskotonowych), stosuje się cewki długie — tak długie, _ze nawet przy największym ich wychyleniu główny strumień magnetyczny przecina cewkę. W głośnikach uniwersalnych i wysokotonowych stosuje się cewki krótsze niż długość szczeliny. Końce uzwojenia cewki są spojone z elastycznymi linkami miedzianymi, za pomocą których łączy się cewkę z obwodem zasilającym. Średnice cewek zależą od mocy i założeń konstrukcyj­nych głośnika; wynoszą one od 10 do 100 mm.

Pod wpływem przepływającego przez nią prądu, umieszczona w szczelinie cewka porusza stożkową membranę, która wychyla się z położenia spoczyn­kowego w przód lub w tył, zależnie od kierunku przepływu prądu. Przy przepływie prądu zmiennego o częstotliwości akustycznej membrana wyko­nuje drgania wytwarzając fale dźwiękowe. Tak przedstawia się, w wielkim skrócie, zasada działania głośnika dynamicznego. Głośniki te omówimy teraz nieco dokładniej.

Na rysunku 2-2 przedstawiono głośnik z magnesem trwałym o kształcie pierścienia (stąd nazwa: obwód magnetyczny pierścieniowy). W bardzo wielu głośnikach stosuje się obecnie magnesy ferrytowe, skutecznie zastępujące droższe magnesy stopowe. Pierścień z ferrytu jest bardziej płaski, w związku z czym cały obwód magnetyczny głośnika ma większą średnicę i mniejszą wysokość. W niektórych głośnikach spotyka się obwody magnetyczne kub­kowe. Stosuje się w nich magnesy stopowe o kształcie walca, umieszczone w stalowym kubku.

Cewka głośnikowa ma zazwyczaj dwie warstwy drutu miedzianego lub aluminiowego. Niektóre firmy nawijają cewki drutem o przekroju kwadrato­wym lub sześciokątnym, co zapewnia lepsze wypełnienie cewki. Jest to istotne przy dążeniu do konstruowania głośników o dużej mocy z możliwie najwęż­szymi szczelinami w obwodzie magnetycznym. Zależnie od przeznaczenia głośnika, cewka jest krótsza niż szczelina bądź od niej dłuższa, zob. rys. 2-3,

Rys. 2-4. Rodzaje membran głośników dynamicznych: a) stożkowa z fałda­mi; b) wykładnicza; c) układ dwumembranowy (dwustożkowy); d) kopułko­wa (czaszowa)

/ - membrana właściwa; 2 - cewka; 3 - podstawa montażowa

głośnika

Wymiary i kształt membrany oraz materiał, z którego ją wykonano, mają wielki wpływ na parametry i jakość głośnika. Na rysunku 2-4 pokazano cztery podstawowe rodzaje membran. Pod wpływem sił wywieranych przez cewkę membrana drga. Przy zwiększaniu częstotliwości prądu zasilającego cewkę membrana przestaje zachowywać się jak idealnie sztywny stożek. Pojawiają się drgania obwodowe i promieniowe w samej membranie, wsku­tek czego jej różne fragmenty mają różne fazy ruchu. Wpływa to na własności elektroakustyczne głośnika oraz jest przyczyną pojawiania się zniekształceń nieliniowych. Tych szkodliwych drgań uniknąć nie można, ale odpowiednio dobierając kształt i materiał membrany udaje się ograniczyć ich wpływ. Pokazana na rys. 2-4 membrana z fałdami nie wykazuje skłonności do drgań promieniowych, a ponadto przy zwiększaniu częstotliwości jak gdyby zmniejsza się jej średnica czynna, dzięki „dzieleniu się" w miejscach Przebiegu fałd. Membrana wykładnicza wykazuje większą sztywność i mniej­szą skłonność do drgań promieniowych. Zastosowanie dwóch membran ma na celu polepszenie parametrów głośnika przy większych częstotliwościach. Wówczas promieniuje tylko mała membrana ze sztywnego materiału. Wiele

16

17

zalet mają membrany kopułkowe o średnicy 20 do 80 rnmT Są one chętnie stosowane' w głośnikach wysoko- i średniotonowych. Obecnie spotyka się również głośniki z membraną stożkową uzupełnioną w części środkowej kopułką o średnicy równej średnicy cewki głośnika lub większej.

Materiał, z którego są wykonywane membrany, dobiera się uwzględniając bardzo wiele czynników. Dwa najważniejsze z nich to:

— membrana powinna być sztywna, lecz lekka;

— materiał membrany powinna cechować duża stratność, tj. powinien on wykazywać duże tarcie wewnętrzne przy zginaniu.

Podstawowym tworzywem membrany jest masa papierowa. Dodatkami są: wełna, włókno szklane, włókno aluminiowe. Wszystkie membrany imp­regnuje się odpowiednimi syciwami. Stosuje się ponadto dodatkowe lakiero­wanie bądź pokrywanie warstwą tworzywa sztucznego, folią aluminiową itp. Membrany wykonuje się także z tworzywa sztucznego, włókna węglistego lub z papieru napylonego metalem. Małe membrany kopułkowe są często wytwa­rzane z aluminium, tytanu bądź berylu.

Cewka jest elementem bardzo sztywnym i jest silnie związana z membra­ną. Do wykonania korpusów cewek używa się impregnowanego papieru, wyprasek z mas plastycznych lub aluminium.

Membrana wraz z cewką — nazywane układem drgającym głośnika — są zawieszone za pomocą resoru (rys. 2-5), stanowiącego zawieszenie dolne, oraz zawieszenia górnego, wiążącego obrzeże zewnętrzne membrany stożkowej z koszem głośnika. Sposób wykonania zawieszenia górnego zależy od przezna­czenia głośnika. Na rysunku 2-6 przedstawiono kilka przykładów tego zawieszenia. W większości głośników stosuje się zawieszenie fałdowe, polega-

Rys. 2-5. Zawieszenie dolne membrany

głośnika (resor)

I — resor współosiowy, pofałdowany; 2 — cewka; 3 — membrana; 4 — osłona

*jące na odpowiednim ukształtowaniu zewnętrznego obrzeża membrany. Gdy jest potrzebne bardzo miękkie zawieszenie membrany, przystosowane do dużych jej wychyleń, stosuje się zawieszenie za pomocą kołnierza z tworzywa sztucznego.

a) b) c) d)

Rys. 2-6. Zawieszenie górne membrany głośnika: a) i b) fałdowe za pomocą odpowied­niego ukształtowania obrzeża membrany; c) miękkie za pomocą pierścienia z pianki poliuretanowej; d) miękkie za pomocą kołnierza z gumy lub tworzywa sztucznego

Kosz głośnika jest wyprasowany z blachy bądź odlany z lekkiego stopu. Większość głośników ma kosze okrągłe. Wytwarza się również głośniki o koszach owalnych (membrana ma wówczas owalne obrzeże zewnętrzne), ułatwiających ich umieszczenie w telewizorze lub gramofonie elektrycznym. Średnice koszy głośników zawierają się w przedziale od 50 do 500 mm.

Analizy działania głośnika dynamicznego dokonamy łatwiej, gdy wydzieli­my w nim trzy następujące układy:

— magnetoelektryczny;

— mechaniczny (drgający);

— mechanoakustyczny.

Układ magnetoelektryczny (napędowy). Siłę mechaniczną F działająca na cewkę określa się wzorem

F = I-B-l [N] w którym:

/ - natężenie prądu w cewce (A); B — indukcja magnetyczna w szczelinie (Wb/m²); / — długość przewodu cewki objętego polem (m).

Gdy przez cewkę przepływa prąd zmienny, wówczas siła F jest również zmienna i wprostproporcjonalna do wartości chwilowej natężenia prądu. Z podanej zależności wynika również, że siła F jest wprostproporcjonalna do indukcji magnetycznej w szczelinie. Stosowanie odpowiednich magnesów zapewniających uzyskanie dużej wartości indukcji magnetycznej wpływa na zwiększenie czułości głośnika.

Z rozważań, których tutaj przytaczać nie będziemy, wynika, że na spraw­ność energetyczną głośnika wpływa rezystancja cewki. Duża wartość tej rezystancji jest niepożądana.

Warto zwrócić uwagę na to, że układ magnetoelektryczny głośnika ma własności przetwornika odwracalnego. Jeżeli będziemy poruszali cewkę, to jej uzwojenie będzie przecinało linie sił pola magnetycznego i w uzwojeniu

19

wytworzy się siła elektromotoryczna wprostproporcjbnama^: do prędkości ruchu cewki. Jeżeli cewka będzie zwarta bądź zamknięta rezystorem o małej wartości oporu elektrycznego, to w obwodzie będzie przepływał prąd. Wyt­warzanie tego prądu działa hamująco na ruch cewki. Wynika z tego, że ruchy swobodne lub wymuszone siłą zewnętrzną są w mniejszym lub więk­szym stopniu tłumione elektrycznie.

Uklad mechaniczny (drgający) głośnika, utworzony z membrany z cewką i zawieszeń, cechują:

— masa układu (membrany, cewki i część masy zawieszeń);

— podatność zawieszenia (górnego i dolnego łącznie);

— tarcie w zawieszeniach (opór mechaniczny).

Układ mechaniczny jest poruszany siłą zmienną F, wytwarzaną przez już opisany układ magnetoelektryczny (napędowy). Przyjmijmy, że siła ta odchy­la układ drgający z położenia spoczynkowego z bardzo małą częstotliwością. Wobec znikomo małego przyspieszenia masa układu nie ma istotnego wpły­wu. Siła F musi więc pokonywać przeciwdziałanie sprężystych zawieszeń i tarcie w zawieszeniach. Amplituda wychyleń wynika z równoważenia się siły F i tych czynników przeciwdziałających. Jeżeli częstotliwość zwiększy się dwukrotnie (przy zachowaniu tej samej wartości siły F), to prędkość ruchu membrany wzrośnie także dwukrotnie, stosownie do zwiększenia się częstotli­wości, gdyż wartość amplitudy wychyleń pozostaje bez zmian. Zakres pracy, w którym układ mechaniczny zachowuje się w ten sposób, leży poniżej częstotliwości rezonansowej układu mechanicznego głośnika. Układ ma w tym zakresie charakter podatnościowy.

W miarę zwiększania się częstotliwości drgań wpływ masy układu także się zwiększa i przy pewnej wartości częstotliwości występuje rezonans mecha­niczny (prędkości) układu. Układ zostaje pobudzony do drgań własnych, podobnie jak ciężarek zawieszony na sprężynie. Amplituda drgań układu znacznie się zwiększa, a całe działanie siły F jest zużywane na pokonywanie tarcia w zawieszeniach.

Przy dalszym zwiększaniu częstotliwości zwiększa się wpływ masy układu (wpływ innych czynników można pominąć). Prędkość ruchu układu jest wówczas odwrotnie proporcjonalna do kwadratu częstotliwości. Układ ma w tym zakresie charakter bezwładnościowy.

Układ mechanoakustyczny głośnika .tworzą: membrana idealna (nieważki tłok drgający), otaczające membranę powietrze i niekiedy odgroda oddziela­jąca akustycznie przednią stronę membrany od tylnej.

Zwrócimy uwagę na niektóre, najważniejsze własności tego układu. Drga­nie membrany idealnej wywołuje zaburzenie w powietrzu i powoduje rozcho­dzenie się fal dźwiękowych o długościach zależnych od częstotliwości drgań. Jako źródło fal membrana idealna jest obciążona impedancją

TN8-I '[mj

gdzie:

R_p — rezystancja promieniowania; X_p — reaktancja promieniowania.

Rezystancja R_p jest składową rzeczywistą impedancji i przyczynia się do promieniowania energii. Reaktancja X_p powstaje wskutek współdrgania z membraną określonej masy powietrza, obciążając źródło, lecz nie przyczynia­jąc się do promieniowania energii. Impedancją Z_p promieniowania i jej składowe zależą od stosunku wymiarów źródła (membrany idealnej) do długości emitowanej fali, a także od tego, jaki kształt i wymiary ma odgroda, jeśli ją w ogóle zastosowano.

Q)

Na rysunku 2-7 przedstawiono trzy różne przypadki umieszczenia mem­brany idealnej, a w podpisie pod nim podano przybliżone zależności rezys­tancji źródła promieniowania R_p od częstotliwości/ i powierzchni membrany S (w wartościach względnych). Wszystkie te zależności dotyczą przypadku, gdy wymiary membrany są niewielkie w porównaniu z długością fali (pro­mień membrany równy 1/5 długości fali lub mniejszy).

b)

c)

Rys. 2-7. Membrana idealna (tłok drgają­cy) pracująca w różnych warunkach: a) drgająca swobodnie bez odgrody (R,, = x/⁴S³); b) umieszczona u wylotu odgrody rurowej (R_p = a'j/²S²); c) w nieskończenie wielkiej odgrodzić płaskiej

R —

rezystancja promieniowania;

/ — częstotliwości; S — powierzchnia membrany; a i a' — określone stałe

Analizując zależności podane pod rys. 2-7 widzimy, jak duży wpływ może mieć odgroda oddzielająca obie strony membrany. Rezystancja membrany bez odgrody zmienia się proporcjonalnie do czwartej potęgi częstotliwości, a więc przy zmniejszaniu się częstotliwości gwałtownie maleje. Zastosowanie odgród o wymiarach nieskończenie wielkich powoduje, że rezystancja pro­mieniowania zmienia się proporcjonalnie tylko do drugiej potęgi częstotli­wości. Odgroda o wymiarach skończonych działa tak, jak odgroda nieskoń­czenie duża wówczas, gdy jej wymiary są ogromne w porównaniu z długością fali. W miarę zmniejszania częstotliwości skuteczność działania odgrody maleje.

Gdy — w porównaniu z długością fali — wymiary membrany są duże (promień równy 1/3 długości fali lub większy), odgroda traci swoje znaczenie, a wartość rezystancji promieniowania membrany staje się niezależna od częstotliwości i wprostproporcjonalna do powierzchni membrany.

20

21

Związek promieniowanej mocy, tj. mocy akustycznej źródła P„, z Jego rezystancją -R_p określa zależność

P_a = v²-R„ [W]

w której:

v — wartość skuteczna prędkości ruchu membrany (m/s).

Z zależności tej wynika, że przy określonej wartości rezystancji promie­niowana moc jest proporcjonalna do kwadratu prędkości ruchu membrany. Zmniejszanie wartości rezystancji źródła promieniowania, np. wskutek zasto­sowania mniejszej membrany, można skompensować odpowiednio zwiększa­jąc amplitudę wychyleń membrany, w celu wypromieniowania określonej mocy przy określonej częstotliwości. Na przykład membrana idealna o średnicy 20 cm w wielkiej odgrodzić promieniuje moc akustyczną l W przy częstotliwości 100 Hz i amplitudzie drgań równej 0,5 cm. Do wypromienio­wania takiej samej mocy przy częstotliwości 40 Hz jest konieczne zwiększenie amplitudy ruchów membrany do 2,5 cm. Nie jest to jednak w praktyce możliwe, a właściwie nie jest możliwe otrzymanie mocy l W korzystając z głośnika o średnicy membrany 20 cm przy tak małej częstotliwości.

Głośnik dynamiczny jest splotem trzech opisanych powyżej układów. Jego własności elektroakustyczne są wypadkową własności tych układów. W rzeczywistości jednak głośnik dynamiczny zachowuje się nieco inaczej, wobec występowania dodatkowych czynników, nie uwzględnionych w rozważaniach teoretycznych. Największe odstępstwa od modelu teoretycznego są spowodo­wane własnościami rzeczywistej membrany, która nie zachowuje się tak, jak

dB

k 30

20

12

20 50 100 200 500 1000 2000 5000 lOOOOHz 20000

f—>

[Zakresy: 1 | 2 |_______3______l_______4_______| 5 |

Rys. 2-8. Charakterystyka ciśnienia akustycznego p na osi promieniowania głośnika w

zależności od częstotliwości /

/ — zakres poniżej częstotliwości rezonansowej; 2 — zakres rezonansu układu drgającego głośnika; 3 — zakres równomiernego przenoszenia; 4 — zakres „poszarpanej" charakterystyki przenoszenia; 5 — zakres utraty zdolności przetwarzania (górne zakrzy­wienie charakterystyki); / — zakres promieniowania fali kulistej (zakres słabo zaznaczają­cej się kierunkowości promieniowania); // — zakres promieniowania kierunkowego

membrana idealnie sztywna. Miedzy cewką i membraną oraz w samej membranie występują podatności, powodujące, że przy dostatecznie dużych częstotliwościach poszczególne fragmenty membrany drgają w różniących się fazach, skutecznie promieniująca część membrany maleje, aż w końcu głośnik przestaje przetwarzać doprowadzaną energię elektryczną na pożądane fale dźwiękowe.

Na rysunku 2-8 przedstawiono charakterystykę ciśnienia akustycznego głośnika o średnicy 20 cm wmontowanego do bardzo wielkiej obudowy zamkniętej; mamy więc warunki zbliżone do tych, które powstałyby przy zastosowaniu odgrody nieskończenie wielkiej. Na tej charakterystyce można wyróżnić pięć odcinków.

Odcinek l dotyczy zakresu częstotliwości poniżej częstotliwości rezonan­sowej układu drgającego głośnika. Silne opadanie charakterystyki wskazuje na gwałtowne pogarszanie się przenoszenia przy zmniejszaniu częstotliwości. W tym zakresie maleją zarówno prędkość poruszania się membrany, jak i rezystancja jej promieniowania.

Dość wąski odcinek 2 dotyczy zakresu rezonansu układu drgającego głośnika. Głośniki o małym tłumieniu wykazują wyższy szczyt przy częstotli­wości rezonansowej. Nie jest to korzystne, gdyż głośnik nie powinien fawory­zować jakiejś częstotliwości, bo daje to w wyniku „podbarwienie" przenoszo­nych dźwięków.

Odcinek 3 charakterystyki odpowiada zakresowi równomiernego przeno­szenia. Jest to zakres najlepszego działania głośnika. Rzeczywisty głośnik ma własności zbliżone do idealnego przetwornika. W tym zakresie membrana zachowuje się prawie tak, jak stożek idealnie sztywny. W odniesieniu do głośnika o średnicy 20 cm można przyjąć, że optymalny zakres przenoszenia wynosi od 100 do 1000 Hz. Przy największej częstotliwości tego zakresu długość fali wynosi 34 cm, a promień czynnej części membrany głośnika jest równy ok. 1/4 długości fali.

Odcinek 4 charakterystyki dotyczy częstotliwości, przy których membra­na głośnika się „dzieli". Występują bardzo złożone zjawiska rezonansowe w samej membranie i jej zawieszeniu górnym, co jest powodem pojawiania się zniekształceń częstotliwościowych i nieliniowych. Odcinek ten nazywamy zakresem „poszarpanej" charakterystyki przenoszenia. W żadnym głośniku nie udaje się eliminować wad tego odcinka, aczkolwiek w wielu dobrej klasy głośnikach udaje się je zmniejszyć.

Odcinek 5 charakterystyki odpowiada zakresowi częstotliwości, w którym głośnik traci szybko zdolność przetwarzania z wyjaśnionych uprzednio po­wodów.

W zakresie / (do 300 Hz) głośnik promieniuje falę kulistą, a więc zupełnie nie występuje skupianie energii wokół głównej osi promieniowania głośnika, na której jest ustawiony mikrofon pomiarowy mierzący ciśnienie akustyczne. W zakresie // występuje już skupianie wiązki fal — początkowo nieznaczne (przy częstotliwościach 300 do 1000 Hz), a następnie coraz większe. Właśnie

22

23

coraz bardziej kierunkowe promieniowanie głośnika jest przyczyną zwiększe­nia się ciśnienia akustycznego na osi promieniowania w zakresie 1000 do 8000 Hz, mimo że ogólna sprawność przetwarzania i promieniowana moc akustyczna maleją. Charakterystyka przedstawiająca moc akustyczną wypro-mieniowywaną przy różnych częstotliwościach wykazałaby spadek, poczyna­jąc od częstotliwości 800 do 1000 Hz.

Z analizy własności głośnika dynamicznego wynika, że skonstruowanie jednego głośnika dobrze przenoszącego całe pasmo częstotliwości akustycz­nych, obejmujące dziesięć oktaw, jest wręcz niemożliwe. Co więcej, są po­trzebne głośniki o małych wymiarach i małej mocy, np. do przenośnych odbiorników radiofonicznych oraz głośniki o wielkiej mocy przeznaczone do sal, dyskotek, nagłaśniania przestrzeni otwartej itp. Zróżnicowane wymagania doprowadziły do tego, że istnieje kilkadziesiąt rodzajów głośników o różnym przeznaczeniu i odmiennych parametrach.

Przyjmując pewne uproszczenia, głośniki można podzielić na trzy grupy:

1. Głośniki standardowe do urządzeń powszechnego użytku. Do tej grupy zaliczamy głośniki średniej i lepszej klasy, przeznaczone do odbiorni­ków radiofonicznych, telewizorów, magnetofonów, gramofonów, radiowęz­łów itp.

2. Głośniki do zestawów Hi-Fi (domowych). Do tej grupy zaliczamy głośniki zarówno produkowane masowo, jak i lepsze i najlepsze głośniki wytwarzane w krótkich seriach i przeznaczone do ekskluzywnych zestawów.

3. Głośniki do zestawów i urządzeń profesjonalnych. Grupa ta obejmuje wiele typów głośników przeznaczonych m.in. do zestawów dla estradowych zespołów muzycznych, do zestawów dyskotekowych, instalacji nagłośniają^ cych obiekty użyteczności publicznej itp.

Odmienny, ważny podział głośników wynika z pasma częstotliwości akustycznych, do którego przenoszenia są one przeznaczone. Podział ten przedstawia się następująco:

1. Głośniki normalnopasmowe — do przenoszenia pasma częstotliwość^ akustycznych, z wyjątkiem częstotliwości bardzo małych i bardzo wielkicn (tonów najniższych i najwyższych).

2. Głośniki szerokopasmowe — do przenoszenia rozszerzonego pasm£ częstotliwości akustycznych (np. 60 do 12000 Hz).

3. Głośniki niskotonowe — do przenoszenia częstotliwości najmniejszycł (poniżej 1000 do 1500 Hz).

4. Głośniki nisko-średniotonowe — do przenoszenia częstotliwości ma-'

łych i średnich (do 5000 Hz).

5. Głośniki średniotonowe — do przenoszenia częstotliwości leżących środkowej części pasma akustycznego (od 400-=-800 Hz do 4000^-8000 Hz)|

6. Głośniki wysokotonowe — do przenoszenia częstotliwości wielkich! pasma akustycznego (od 2000 -1-5000 Hz do 12000^-20000 Hz, a mekiedj

i większych).

24

Głośniki dynamiczne można podzielić także na otwarte (z membraną

lub kopułkową widoczną z zewnątrz) i tubowe, wyposażone w odpowiednią tubę. Własności głośników tubowych opisano w rozdz. 7.

Asortyment głośników wytwarzanych w świecie do różnych celów jest ogromny — od miniaturowych głośniczków o mocy 0,2 W do wielkich głośników o mocy 400 W. W kraju są produkowane głośniki o mocy od 0,4 do 100 W; ich asortyment zaspokaja zasadnicze potrzeby.

Należy także wspomnieć o głośnikach działających na innej zasadzie niż już opisane głośniki .dynamiczne. Należą do nich m.in. głośniki piezoelek­tryczne, których działanie polega na odkształcaniu płytek wykonanych z kryształów lub ceramiki o własnościach piezoelektrycznych. Są one wytwa­rzane jako głośniki wysokotonowe i stosowane czasami w profesjonalnych zestawach estradowych.

Zasadę przyciągania się i odpychania dwóch ciał naładowanych elek­trycznie wykorzystano do skonstruowania głośników elektrostatycznych. Są one stosowane jako średnio-wysokotonowe lub tylko średniotonowe w naj­lepszej klasy zestawach głośnikowych. Membraną jest w tym przypadku metalowa lub metalizowana cienka folia plastykowa, przyciągana i odpycha­na przez elektrodę stałą.

Parametry głośników

Moc znamionowa głośnika. Jest to wartość mocy elektrycznej, na którą głośnik został zaprojektowany. Moc znamionowa powinna być traktowana jako parametr określający ogólnie wielkość głośnika, podobnie jak jego wymiary wyrażone średnicą głośnika. W Polsce i w innych krajach Europy moc głośnika określa się doprowadzając do niego przebieg elektryczny o charakterze szumu, z uwydatnionymi składowymi w paśmie 20 do 2000 Hz. Głośnik powinien wytrzymać 100 godzin pracy pod pełnym obciążeniem*. W Stanach Zjednoczonych moc głośnika określa się doprowadzając do niego przebieg sinusoidalny (oznaczenie katalogowe: Watts RMS). Orientacyjnie standardowy, normalnopasmowy głośnik produkcji krajowej o mocy 10 W ma moc 6 W-RMS.

Moc muzyczna głośnika. Moc ta jest liczbowo większa o 20 do 100% niż moc znamionowa głośnika, zależnie od jego rodzaju i konstrukcji. Moc muzyczna jest określana przebiegiem sinusoidalnym o częstotliwości 250 Hz ¹ mniejszej, włączanym na bardzo krótkie okresy czasu (do 2 s). Wartość mocy muzycznej odpowiada mocy takiego sygnału, przy której nie pojawiają się uderzenia lub otarcia cewki o krawędzie szczeliny ani inne objawy niepra­widłowej pracy głośnika.

Charakterystyka przenoszenia głośnika (charakterystyka częstotliwościowa, charakterystyka przetwarzania). Charakterystyka ta, o której już

^la głośników średnio i wysokotonowych zakłady Tonsil — w ogólnie dostępnych katalogach — jako moc Łnamionową - °Miika podajit moc zestawu Hi-Fi, do którego dany głośnik jest przeznaczony. Moc faktyczna tych głośników jest znacznie ⁿⁱ^is/;i. o czym należy pamiętać.

25

no przy opisywaniu działania głośnika (zob. rys. 2-8), jest zależnością względni
nego ciśnienia akustycznego (mierzonego na osi głośnika w określonej odj
niego odległości) od częstotliwości, przy stałej wartości napięcia doprowadza­
nego do zacisków głośnika. Użyteczne pasmo przenoszenia głośnika określa
się najczęściej jako pasmo wyznaczone częstotliwością rezonansową głośnika
i górną częstotliwością graniczną, tj. częstotliwością, przy której ciśnienie
akustyczne głośnika maleje o 10 dB poniżej średniej wartości ciśnienia w
obszarze dobrego przenoszenia. Dla głośnika o charakterystyce przedstawio­
nej na rys. 2-8 tłżyteczne pasmo przenoszenia wyznaczają częstotliwości 100 l
i 9000 Hz. . l

Nierównomierność charakterystyki przenoszenia jest to stosunek wartości największej ciśnienia akustycznego, do wartości najmniejszej, w zakresie pasma użytecznego głośnika, wyrażona w decybelach.

Charakterystyka kierunkowości głośnika. Głośnik, zwłaszcza w zakresie] większych przenoszonych częstotliwości, promieniuje kierunkowo. Charakte­rystyka kierunkowości jest to zależność wytwarzanego przez głośnik ciśnienia akustycznego od kąta zawartego między osią głośnika a prostą poprowadzo-< na od głośnika do miejsca pomiaru. Przykładową charakterystykę kierunko­wości głośnika normalnopasmowego przedstawiono na rys. 2-9.

150° 160° 170" 180° 170° 160" 150°

Rys. 2-9. Charakterystyka kierunkowości pro-j mieniowania głośnika (przykład)

Efektywność głośnika. Parametrem tym określa się zdolność głośnika dc przetwarzania energii elektrycznej na energię akustyczną. Efektywność głośni' ka jest to stosunek średniego ciśnienia akustycznego, wytworzonego przeJ głośnik zasilany mocą l VA w odległości l m od głośnika, do ciśnienia 2-10~⁵N/m² przyjętego za poziom odniesienia, wyrażony w decybelac Efektywności głośników wynoszą od 85 do 110 dB. Wartości większe ni iOOdB dotyczą wysoko sprawnych głośników tubowych.

Impedancja głośnika i charakterystyka impedancji głośnika. Impedancja (znamionowa) głośnika jest to najmniejsza wartość modułu impedancji elek]

Pfrycznej występująca przy częstotliwości leżącej powyżej częstotliwości rezo­nansowej układu mechanicznego głośnika. Charakterystykę impedancji głoś-jyka widzimy na rys. 2-10. Zaznaczono na niej częstotliwość/, odpowiadają­cą impedancji znamionowej głośnika oraz częstotliwość rezonansową / ukła­du mechanicznego głośnika. Zwiększanie się impedancji głośnika przy' więk­szych częstotliwościach jest spowodowane indukcyjnością cewki głośnika, jest to niekorzystna własność głośnika, ponieważ powoduje ona zmniejszanie się poboru mocy ze źródła w miarę zwiększania się częstotliwości.

20 p ,O,

-!r

10 -

<\]

k

^~*

,••••

^-^

^»*

__e "

t "

/

l -ł-

..-•

.--

z^6' 4 -

^

X

I j

— T— 1

l '-

1

-t-1 |

25 50 ,100 200. 500 ^f^r ^fz f -^

1000 2000 Hz

10

Rys. 2-10. Charakterystyka impedancji Z głośnika (przykład)

f, — częstotliwość rezonansowa układu drgającego głośnika;

f_z — częstotliwość, przy której występuje minimalna wartość

impedancji Z głośnika (dla danego głośnika przyjmowana za

znamionową)

Zniekształcenia nieliniowe głośnika. Głośnik zawiera wiele elementów, które podczas jego działania powodują powstanie zniekształceń nieliniowych. W dokumentacji technicznej głośników są podawane dane dotyczące wartoś­ci trzeciej i piątej harmonicznej wytwarzanej przez głośnik przy różnych częstotliwościach i doprowadzanych mocach. Główne przyczyny wnoszenia zniekształceń nieliniowych przez głośniki są następujące:

— przesterowanie, powodujące nadmierne wychylenia cewki głośnika;

— odkształcenie zawieszenia układu drgającego, sprawiające, że cewka w stanie spoczynkowym znajduje się nie w połowie długości szczeliny, lecz jest przesunięta w jedną stronę;

— jest naruszona współosiowość cewki względem szczeliny i cewka ocie­ra się o krawędzie szczeliny;

— zjawiska nieliniowe w materiale membrany głośnika, występujące przy tych częstotliwościach, przy których membrana się „dzieli" (zestarzenie się materiału membrany przy długotrwałym użytkowaniu głośnika może mieć ^wpływ na zawartość wyższych harmonicznych);

— nieliniowość podatności zawieszenia układu mechanicznego głośnika (ten czynnik również może się zmieniać w czasie użytkowania głośnika);

— występowanie zjawiska Dopplera w głośnikach szerokopasmowych. Dane techniczne głośników. W ogólnie dostępnych prospektach i katalo­gach podaje się najczęściej następujące dane techniczne głośników: — moc znamionową (W);

26

27

— impedancję znamionową (Q);

— częstotliwość rezonansową lub pasmo przenoszenia (Hz);

— efektywność (dB);

— masę głośnika (kg);

— wymiary głośnika: średnicę kosza i obwodu magnetycznego oraz wysokość głośnika, tj. głębokość zajmowaną przez głośnik w obudowie (mm);

— informacje o zasadniczym przeznaczeniu głośnika. W dokładniejszych katalogach podaje się ponadto:

— najmniejszą wartość impedancji (Q) i częstotliwość, przy której ta wartość występuje (Hz);

— rezystancję cewki (Q);

— średnicę cewki drgającej (mm);

— wartość indukcji magnetycznej w szczelinie (T); im ta wartość jest większa, tym lepiej; przeciętne głośniki mają indukcję równą 0,8 do 1,2 T, dobre głośniki 1,3 do 1,5 T, wysokiej jakości i specjalne 1,6 do 2,0 T, głośniki zaś wysokotonowe 1,2 do 2,5 T;

— wartość całkowitą strumienia magnetycznego w szczelinie (Wb);

— masę magnesu trwałego (kg).

W katalogach przeznaczonych dla specjalistów spotyka się jeszcze następują­ce dane: podatność zawieszenia, masę czynną układu drgającego, opór mechaniczny (tarcie), czynną średnicę membrany, długość uzwojenia cewki, długość i objętość szczeliny magnetycznej. Bywają również podawane zalece­nia dotyczące optymalnego zastosowania danego typu głośnika.

3. Zestawy głośnikowe

Jeden głośnik może przenosić — przy małych zniekształceniach — tylko dość wąskie pasmo częstotliwości. Aby więc zapewnić dobrą jakość przenoszenia w szerokim paśmie częstotliwości, trzeba zastosować dwa, trzy lub nawet cztery głośniki o różnych własnościach — tak dobrane, aby ich zakresy najlepszego przenoszenia wzajemnie się dopełniały, dając w wyniku zestaw c/lośnikowy przenoszący szerokie pasmo częstotliwości akustycznych. Zazwy­czaj jest jeszcze potrzebny odpowiedni filtr elektryczny (tzw. zwrotnica prądowa), który rozdzieli składowe przebiegu elektrycznego tak, aby każdy z głośników przetwarzał prądy o częstotliwościach, do których jest najlepiej przystosowany.

Koncepcja tworzenia zestawów głośnikowych w celu polepszenia jakości przetwarzania przebiegów elektrycznych na dźwięki narodziła się dawno i została zastosowana w kinoteatrach. Masowe wykorzystanie tej koncepcji stało się konieczne wraz z rozwojem techniki Hi-Fi i znacznym zwiększeniu się wymagań słuchaczy w odniesieniu do wszystkich instalacji elektroa­kustycznych używanych do odtwarzania muzyki.

z;

Teoretycznie, idealny zestaw głośnikowy powinien być zdolny do przeno­szenia bez zniekształceń pasma częstotliwości nawet szerszego niż pasmo częstotliwości akustycznych, a więc, przypomnijmy, 20 do 20000 Hz. Okaza­ło się, że, o ile stosując specjalne głośniki można poszerzyć przenoszone pasmo ku większym częstotliwościom (do 25, a nawet 30 kHz), o tyle w zakresie najmniejszych częstotliwości napotyka się przeszkody nie do poko­nania. Istnieją zestawy głośnikowe Hi-Fi, które, według danych katalogo­wych, przenoszą już od 20 Hz. Należy to jednak uznać za swego rodzaju fikcję, chociażby z następujących przyczyn: wytworzenie odpowiedniej mocy akustycznej jest niezwykle utrudnione (zob. rozdz. 1), czułość słuchu na dźwięki o tych częstotliwościach jest mała, wymiary pomieszczenia odsłucho-wego są mniejsze niż długość fali akustycznej, wobec czego nie może następo­wać normalne rozchodzenie się i odbijanie fal (występuje zjawisko tzw. Pneumatycznych zmian ciśnienia w pomieszczeniu), w przeważającej więk-wości zapisów muzyki na płytach i taśmach jest brak składowych o częstotli­wościach mniejszych niż 40 do 50 Hz. Tak więc nie można wymagać, aby

29

nawet bardzo dobre domowe zestawy głośnikowe Hi-Fi przenosiły skutecznie częstotliwości mniejsze niż 40 Hz.

Ponadto zestawy głośnikowe Hi-Fi powinny różnić się wymiarami, aby było można je ustawiać zarówno w małych, jak i wielkich mieszkaniach, a także powinny być dostosowane do zróżnicowanych możliwości finansowych nabywców.

Rys. 3-1. Zestaw głośnikowy dwudrożny w obudo-j
wie zamkniętej (przekrój). Moc znamionowa zesta-|
wu 25 W; głośnik nisko-średniotonowy o średnicy1
26 cm; wysokość obudowy 52 cm, szerokość 32 crn|
l — głośnik nisko-średniotonowy; 2 — głośniki
wysokotonowy; 3 - materiał tłumiący; 4 - listwa!
usztywniająca ściankę obudowy "

Zapoznamy się teraz z kilkoma przykładowymi zestawami głośnikowymi.!
Na rysunku 3-1 przedstawiono zestaw z dwoma głośnikami: nisko-średniotoJ
nowym l i wysokotonowym 2. Zestaw taki nazywamy dwudrożnym. Pierwszy
głośnik ma membranę o dużej średnicy i zajmuje znaczną część ścianki
czołowej obudowy. Głośnik wysokotonowy ma małą membranę kopułkową
Wnętrze obudowy jest wypełnione materiałem tłumiącycm, pochłaniającym
fale dźwiękowe. Materiał tłumiący zapobiega w znacznym stopniu uwydatnia
nju się drgań rezonansowych wnętrza obudowy oraz powoduje tłumieni*
akustyczne układu drgającego głośnika nisko-średniotonowego, w zakreśl
małych częstotliwości akustycznych. Mechanizm tego tłumienia jest wj
uproszczeniu następujący: wraz z membraną głośnika porusza się określeni
warstwa powietrza — jej hamowanie wskutek obecności porowatego matę!
nału przenosi się na membranę, powodując również jej hamowanie, co jes
korzystne dla wiernego przetwarzania sygnałów przez głośnik. >

W celu uzyskania jak najlepszych własności zestawu głośnikowego wprc wadzą się określone asymetrie i elementy dodatkowe. W zestawie przeć stawionym na rys. 3-1 ścianka przednia obudowy jest nieco nachylona Obudowa nie jest więc symetrycznym prostopadłościanem, co wpływa ko rzystnie na jej właściwości akustyczne, dzięki zwiększeniu liczby, lecz zmniejl

szeniu amplitudy występujących rezonansów ścianek obudowy oraz jej wnęt­rza. Ponadto dzięki temu nachyleniu główna oś promieniowania zestawu jest skierowana nieco ku górze, co jest korzystne, gdy zestaw stoi na podłodze lub na nisko położonej półce. Widoczne na rysunku drewniane listwy 4 usztywniają ścianki obudowy o największej powierzchni. Na tylnej ściance obudowy jest widoczny element zwrotnicy prądowej oraz płytka z gniazdem służącym do przyłączenia kabla łączącego zestaw głośnikowy ze wzmacniaczem mocy. Według zasad opisanych na przykładzie tego zestawu są konstruowane domowe zestawy głośnikowe o różnej wielkości — od minizestawów o objętości 3 do 6 dcm³ aż do dużych o objętości do 100 dcm³.

Q)

b)

Rys. 3-2. Zestawy głośnikowe trójdrożne; a) zestaw o obudowie z otworem o wymiarach 65 x 35 x 25 cm (moc zestawu 90 W, głośniki firmy Goodmans); b) zestaw głoś­nikowy w obudowie zamkniętej o wymiarach 67 x 32 x 38 cm (moc zestawu 50 W, głośniki firmy Celestion)

Na rysunku 3-2 widzimy dwa zestawy głośnikowe trójdrożne. W pier­wszym z nich (rys. 3-2a) — oprócz typowego głośnika niskotonowego o bardzo miękko zawieszonej membranie — zastosowano specjalny głośnik sredniotonowy o membranie stożkowo-kopułkowej i kopułkowy głośnik wysokotonowy. Zestaw ma obudowę z otworem; jest on widoczny w ściance czołowej między głośnikami: Warto zwrócić uwagę na sposób umieszczenia głośników średniotonowego i wysokotonowego; znajdują się one blisko krawędzi obudowy, co sprzyja poszerzeniu kąta promieniowania fal dźwięko-

31

30

wych przez te głośniki, wskutek zmniejszenia wpływu płaskiej płyty, w które je zamocowano.

Drugi zestaw głośnikowy (rys. 3-2b) ma dwa głośniki kopułkowe (średnio! tonowy i wysokotonowy) oraz typowy głośnik niskotonowy. Wszystkie głoś j niki znajdują się na jednej linii pionowej, w małej odległości względem siebk (są skupione). Takie rozmieszczenie głośników wpływa na zmniejszenie skut­ków interferencji fal emitowanych przez głośniki ( w przedziałach częstotli­wości, w których dwa sąsiednie głośniki działają skutecznie). Ten zestaw ma obudowę typu zamkniętego, tak jak zestaw na rys. 3-1.

Rys. 3-4. Zestaw wielogłośnikowy dla zesrx>-|

łów muzycznych firmy Dynacord zawierają4

cy 8 głośników szerokopasmowych w obui

dowie o wymiarach 52x35x31 cm

Na rysunku 3-3 jest przedstawiony zestaw głośnikowy przeznaczony dls zespołów muzycznych, do wzmacniania natężenia dźwięku w sali koncerto­wej lub sali tanecznej. Zestaw ten składa się z części nisko-średniotonowejj zawierającej dwa głośniki otwarte o dużej średnicy, zdolne przenosić niskie' tony, oraz z części średnio-wysokotonowej w postaci głośnika tubowego.! Części zestawu mają wykończenie „walizkowe", przystosowane do ich trans­portowania.

Rys. 3-3. Zestaw dwuczęściowy dla zespołów

muzycznych firmy Dynacord Część nisko-średniotonowa o mocy 160 W zawiera dwa głośniki o średnicy 15" (ok. 38 cm); część średnio-wysokotonowa ma je­den głośnik tubowy przenoszący pasmo od 2000 do 13000Hz

Na rysunku 3-4 przedstawiono zestaw profesjonalny, przeznaczony rów­nież dla zespołów muzycznych, zawierający w jednej obudowie aż osiem jednakowych głośników szerokopasmowych. Takie rozwiązanie umożliwia uzyskanie przenoszenia dość szerokiego pasma częstotliwości przy dobrym przenoszeniu małych częstotliwości (basów). Dwa ruchome metalowe ekrany

służą do polepszenia charakterystyki kierunkowości zestawu, odbijają one wiązki fal w kierunkach bocznych.

W wielu przypadkach okazało się celowe wmontowanie wzmacniaczy mocy wprost do zestawu głośnikowego. Zestaw taki nazywamy zestawem glośnikowo-wzmacniającym lub zestawem głośnikowym czynnym. Na rysunku 3-5 jest przedstawiony schemat strukturalny takiego zestawu, przeznaczonego do użytku domowego. Sygnał sterujący małej częstotliwości (m.cz.) jest doprowadzany przez wzmacniacz wstępny do trzech filtrów rozdzielających (są to najczęściej filtry aktywne z tranzystorami bądź wzmacniaczami opera­cyjnymi) i dalej do trzech wzmacniaczy mocy, zasilających głośniki. Wzmac­niacz kanału niskotonowego ma najczęściej moc od 30 do 100 W. Wzmac­niacze kanałów średniotonowego i wysokotonowego mają moc o połowę mniejszą, chociaż spotyka się zestawy czynne, w których zastosowano wszyst­kie wzmacniacze o identycznej mocy.

Włączenie urządzenia odbywa się zdalnie, w momencie włączenia zasila­nia urządzeń sterujących (tunera, przedwzmacniacza, magnetofonu itd.), przez włączenie napięcia stałego (najczęściej 24 V), które uruchamia przekaźnik włączający zasilacz zestawu głośnikowego. Przyłączenie głośników następuje l pewnym opóźnieniem (po l do 2 s) — wówczas, gdy praca wzmacniaczy się ustabilizuje. Zapobiega to pojawianiu się nieprzyjemnych odgłosów w okresie stabilizowania się wzmacniaczy mocy.

Innym rozwiązaniem jest stosowanie specjalnego układu służącego do włączania i wyłączania. Układ taki jest stale pod napięciem i w momencie

24V- o -		uo		s
Lxi_

220V~

o———Q-

-"<-

Rys. 3-5. Schemat strukturalny zestawu głośnikowo-wzmacniającego

(aktywnego zestawu głośnikowego)

W, M, N — głośniki: wysokotonowy, średniotonowy i niskotonowy; Z — zasilacz wzmacniaczy; U O — układ opóźniający włączenie gło­śników; We — wejście, do którego doprowadza się sygnał sterujący

33

2 — Zestawy głośnikowe...

32

pojawienia się sygnału m.cz. włącza zasilacz zestawu głośnikowego. Odłąc nie zasilacza następuje po 2 do 3 min od chwili zaniku sygnału m.c doprowadzanego z zespołu sterującego. Takie rozwiązanie zmniejsza liczb przewodów łączących zestaw głośnikowo-wzmacniający z urządzeniem steru jącym do dwóch i umożliwia zastosowanie do sterowania dowolnego urzą.l dzenia o odpowiednim wyjściu m.cz., a nie tylko urządzenia przystosowanego j do doprowadzania napięcia włączającego (24 V).

Zestawy głośnikowo-wzmacniąjące są wyposażone — jak wiele nowoczes­nych zestawów głośnikowych biernych większej mocy - w zabezpieczenia głośników wysokotonowych i średniotonowych. Głośniki te nie są w stanie" przetwarzać przez dłuższy czas pełnej mocy wzmacniacza. Na przykład głośniki wysokotonowe mogą w sposób ciągły przetwarzać moc 2 do 8 W, a moc znacznie większą tylko w ciągu krótkich odcinków czasu (np. 20 do 50 ms). Głośniki średniotonowe mogą przetwarzać w sposób ciągły moc większą (np. 10 do 25 W), lecz i one nie wytrzymują pełnej mocy wzmacnia­cza przy długotrwałym wysterowaniu jedną częstotliwością. Przy mocy całko­witej wzmacniaczy wynoszącej 60 do 80 W jest możliwe umieszczenie ich wprost we wnętrzu obudowy zestawu. Odprowadzanie ciepła następuje wów­czas przez wszystkie ścianki obudowy zestawu, który podczas pracy ma temperaturę wyższą niż otoczenie. Innym rozwiązaniem jest wykorzystanie — do umieszczenia wzmacniaczy m.cz. i zasilacza — tylnej ścianki obudowy, w której wprawiono metalową płytę z użebrowaniem, stanowiącą radiator odprowadzający ciepło. Wzmacniacze znajdują się po stronie wewnętrznej i są dostępne po otwarciu tylnej ścianki obudowy.

Rys. 3-6. Zestaw profesjonalny głośnikowo-wzmacniający firmy Klein i Hummel typu 096 o wymiarach 53 x 32 x 29 cm ze wzmacniaczami

Na rysunku 3-6 przedstawiono obudowę zestawu z uchylaną tylną ścian­ką, na której znajdują się wzmacniacze i zasilacz. W danym przypadku jest to zestaw głośnikowo-wzmacniający bardzo dobrej jakości, przeznaczony do

"Stosowania w rozgłośniach radiofonicznych i studiach fonograficznych; za­wiera on trzy wzmacniacze, każdy o mocy 60 W. Duże wymagania jakościo­we zmusiły do wyposażenia zestawu we wzmacniacze bardzo dobrej jakości, wykonane przy użyciu elementów dyskretnych. W zestawach głośnikowo-wzmacniąjących do użytku domowego stosuje się często scalone (hybrydowe) wzmacniacze mocy, które zajmują znacznie mniej miejsca i obniżają koszty wykonania części elektronicznej zestawu.

Zestaw głośnikowo-wzmacniający jest wyposażony w gniazda do połą­czeń z urządzeniem sterującym i siecią elektroenergetyczną oraz w lampkę kontrolną wskazującą, czy zestaw jest czynny, czy też odłączony. Niektóre zestawy głośnikowe (droższe, większej mocy) są wyposażone we wskaźnik wartości oddawanej mocy bądź wskaźnik wysterowania. Są to najczęściej wskaźniki składające się z kilku diod elektroluminescencyjnych.

Zestawy głośnikowe można podzielić, według różnych kryteriów, w nastę­pujący sposób:

— na zestawy głośnikowe (bierne) i zestawy wznacniająco-głośnikowe (czynne);

— na zestawy głośnikowe do użytku domowego i zestawy głośnikowe profesjonalne, przy czym zestawy domowe można z kolei podzielić na minizestawy, zestawy regałowe, zestawy wolno stojące (podłogowe);

— na zestawy jednodrożne (z głośnikiem szerokopasmowym), dwu-, trzy-i czterodrożne — zależnie od tego, na ile zakresów (torów, kanałów) podzie­lono pasmo przenoszonych częstotliwości akustycznych;

— na zestawy głośnikowe zamknięte, z otworem, tubowe, labiryntowe oraz otwarte — zależnie od rodzaju zastosowanej obudowy akustycznej.

Wśród zestawów głośnikowych profesjonalnych wyróżnia się trzy duże grupy: zestawy głośnikowe estradowe (dla zespołów muzycznych), dyskoteko­we oraz do nagłośniania pomieszczeń i przestrzeni otwartych. Poza tym wyróżniamy jeszcze: zestawy głośnikowe kontrolne (dla studiów radiofonicz­nych i fonograficznych), zestawy dla kinoteatrów i teatrów oraz zestawy specjalne (dyspozytorskie, dworcowe, okrętowe itp.).

Wśród zestawów głośnikowych pewien wyróżniający się rodzaj stanowią tzw. grupowe źródła dźwięku, realizowane najczęściej w postaci kolumny dźwiękowej zawierającej od 3 do 10 głośników umieszczonych wzdłuż prostej pionowej. Kolumny dźwiękowe cechuje silnie wyrażona kierunkowość pro­mieniowania dźwięku (charakterystyka kierunkowości ma kształt dysku) oraz niniejsza skłonność do sprzężeń elektroakustycznych z mikrofonem, w przy­padku wzmacniania głosu mówców.

W przypadku nagłośniania stadionów i wielkich obiektów otwartych, gdy jest celowe skupienie dźwięku w wąską wiązkę, stosuje się grupy kołowe utworzone z 5 do 7 głośników tubowych.

34

4. Zestawy głośnikowe zamknięte

Zestawy głośnikowe zamknięte, czyli zestawy, w których strona tylna głośni­ka jest oddzielona od przedniej szczelną obudową zamkniętą, należą do najbardziej rozpowszechnionych zestawów przeznaczonych do użytku domo­wego. Obudowa zamknięta umożliwia zrealizowanie w praktyce idei nieskoń­czenie wielkiej odgrody oddzielającej obie strony membrany głośnika, co chroni je przed niepożądanym wzajemnym oddziaływaniem. Istotnie, jeżeli do skrzyni o sztywnych ścianach, wypełnionej materiałem dźwiękochłonnym, wbudujemy głośnik tak, aby energia promieniowana przez tylną stronę jego membrany była całkowicie pochłaniana, to wyeliminujemy wpływ fal promie­niowanych przez tylną stronę membrany. Takie przedsięwzięcie daje szcze­gólne korzyści w zakresie przenoszenia przez głośnik najmniejszych częstotli­wości (lepsze promieniowanie basów).

Zastosowanie obudowy zamkniętej pociąga za sobą pewne niekorzystne następstwa — wymaga zastosowania specjalnych głośników o bardzo miękko zawieszonym układzie drgającym, przystosowanym do wykonywania drgań o wielkiej amplitudzie. Jest to spowodowane tym, że obudowa zamknięta zwiększa częstotliwość rezonansową głośnika, i to tym bardziej, im mniejsza jest objętość obudowy i większa średnica membrany głośnika. Zależność ta jest spowodowana tym, że poruszająca się membrana raz spręża, a raz rozpręża powietrze zawarte w obudowie. Jest ona jak gdyby dodatkowo zawieszona pneumatycznie na poduszce powietrznej.

[Hz]

Wyobraźmy sobie, że do obudowy zamkniętej wmontowano głośnik o tak miękko zawieszonej membranie, że wpływ tego zawieszenia można pominąć. Wówczas zależność częstotliwości rezonansowej membrany f_z od najważniejszych zmiennych czynników przedstawia się następująco:

M_M-K

gdzie:

k - stała, równa 3400 w odniesieniu do obudowy pustej i 3000 dla obu­dowy wypełnionej materiałem dźwiękochłonnym;

^ m ~ powierzcnma czynna memorany (tn~); M_M — masa membrany wraz z masą współdrgającą (kg); V₀ — objętość wewnętrzna obudowy zamkniętej, netto (m³). Z zależności tej wynika, że częstotliwość rezonansowa szybko zwiększa się w miarę powiększania średnicy głośnika, co jest bardzo trudno skompensować powiększeniem objętości obudowy. Zwiększenie masy membrany głośnika jest możliwe tylko w ograniczonym zakresie, ponieważ większa masa wpływa niekorzystnie na własności głośnika przy większych częstotliwościach, a więc w obudowach zamkniętych powinny być stosowane głośniki o odpowiednio — w stosunku do wymiarów obudowy — małych średnicach membrany. Aby głośnik oddawał potrzebną moc akustyczną, membrana jego powinna drgać z odpowiednio dużą amplitudą.

Częstotliwość rezonansowa układu drgającego głośnika (f_gz) wmontowa­nego do obudowy zamkniętej jest sumą geometryczną częstotliwości rezonan­sowej głośnika zawieszonego swobodnie (/_r) i częstotliwości rezonansowej układu drgającego tegoż głośnika (/_z) zawieszonego wyłącznie na zawieszeniu pneumatycznym obudowy zamkniętej.

Odpowiednia zależność jest więc następująca:

[Hz]

Tablica 4-1

Przykłady zależności częstotliwości rezonansowej drgań membrany od jej śred­nicy i masy oraz od objętości obudowy

Częstotliwość rezonansowa Hf	Średnica membrany (część czynna) cm	Masa czynna membrany g	Objętość obudowy dcm^3
78	8	5	3
60	8	5	5
95	12	10	5
65	12	10	10
60	15	20	15
53	15	20	20
57	18	35	20
44	18	35	35

W tablicy 4-1 podano kilka przykładów, które pozwalają zorientować się w zależnościach występujących w praktyce. Z przedstawionych danych wyni­ka, że decydujący wpływ na wypadkową częstotliwość rezonansową f_gz ma składowa wynikająca z zastosowania obudowy zamkniętej. Rozpowszechnie­nie się zestawów głośnikowych o obudowach zamkniętych stało się możliwe, gdy została opanowana produkcja odpowiednich głośników oraz gdy zasto­sowano układy wielodrożne z dwoma lub trzema różnymi głośnikami, gdyż głośnik niskotonowy przeznaczony do pracy w obudowie zamkniętej ma niekorzystne własności w zakresie większych częstotliwości akustycznych.

36

37

nia w obudowach zamkniętych ma tak miękki i delikatny układ zawieszeń membrany z cewką, że mogą one pracować tylko w położeniu pionowym i w obudowie zamkniętej o objętości nie większej niż zalecona przez producenta. Obudowy o większej objętości mogą być stosowane tylko przy zmniejszeniu wartości mocy doprowadzanej ze wzmacniacza, co jest w praktyce dość trudne do spełnienia. Niektóre firmy zagraniczne wytwarzają obecnie głośniki niskotonowe i nisko-średniotonowe przystosowane do pracy zarówno w obudowach zamkniętych, jak i obudowach z otworem; są to głośniki o średnicy od 20 do 30 cm.

Ważnym wymaganiem jest, aby obudowa zamknięta była sztywna, wyko­nana z dostatecznie grubej sklejki lub twardych płyt wiórowych. Przy zmianach ciśnienia wywołanych ruchami membrany głośnika obudowa nie powinna pulsować. Przystosowana do odejmowania jest najczęściej jej ścian­ka tylna. Sama obudowa, sposób zamocowania głośników i ścianki tylnej powinny zapewniać zupełną szczelność obudowy. Nie powinna ona być jednak hermetyczna, tj. znikome nieszczelności powinny umożliwiać wyrów­nywanie się ciśnienia powietrza w obudowie z ciśnieniem atmosferycznym. Gdyby takie wyrównywanie się nie następowało, membrana głośnika zajmo­wałaby nieprawidłowe położenie spoczynkowe, wychylając się w jedną lub drugą stronę przy zmianach ciśnienia atmosferycznego.

Obudowy zamknięte najczęściej wypełnia się prawie całkowicie materia­łem dźwiękochłonnym (zob. rys. 3-1).

Objętość obudowy (netto) powinna być obliczona dokładnie, z uwzględ­nieniem objętości listew wzmacniających, samych głośników i innych znajdu­jących się w niej elementów.

Tanie zestawy zamknięte o mocy 15 W bywają konstruowane przy zastosowaniu tylko jednego głośnika szerokopasmowego (często dwumem-branowego) o miękko zawieszonej membranie. Przy tego rodzaju rozwiąza­niu nie do pominięcia są już zniekształcenia powstające wskutek zjawiska Dopplera.

Zagadnienia dotyczące szczegółów konstruowania obudów zamkniętych opisano w rozdz. 8.

5. Zestawy głośnikowe z otworem

Zestawy w obudowie z otworem, nazywanej czasami obudową rezonansową, stosuje się zarówno jako domowe zestawy głośnikowe, jak i zestawy dla zespołów muzycznych, dyskotek itp. Obudowa akustyczna z otworem ma wiele zalet, lecz nie nadaje się do zestawów głośnikowych o małych wymia­rach.

Zasadę działania obudowy z otworem wyjaśnimy korzystając z rys. 5-1. W części a) tego rysunku przedstawiono przekrój takiej obudowy. Komora, którą tworzy wnętrze obudowy, ma podatność akustyczną C₀, a otwór o powierzchni S₀ ma masę akustyczną M₀. Jeżeli głośnik będzie zasilany z generatora akustycznego, którego częstotliwość będzie stopniowo zwiększana, to przy pewnej częstotliwości /_H, wystąpi interesujące zjawisko. Pojawi się rezonans akustyczny układu składającego się z podatności C„ i masy akus­tycznej otworu M₀. Warstwa powietrza w otworze będzie silnie drgać i otwór stanie się źródłem promieniowania fali dźwiękowej. Przy częstotliwości J_H membrana głośnika będzie silnie obciążona dużą wartością rezystancji akustycznej. Jeżeli tak dobrać wartość częstotliwości f_H, aby była ona równa częstotliwości rezonansu mechanicznego głośnika f_r, to — dzięki wzajemne­mu sprzężeniu układów — wystąpi pewne stłumienie drgań głośnika (przy częstotliwości f_r) oraz rozszczepienie jednego maksimum na dwa — jedno

n) b)

'TY.

Rys. 5-1. Obudowa z otworem (przekrój): a) w ściance; b) w postaci tunelu C„ — podatność akustyczna wnętrza obudowy; M„ — masa akustyczna otwo­ru: / — długość otworu; S„ — po­wierzchnia otworu

39

24 28 33 39 46 55 66 78 92 TIOHzUO

26 30 36 42 50 60 72 84 100 120 140 Częstotliwość f_H

Rys. 5-2. Nomogram ułatwiający projektowanie obudów z otworem Sposób korzystania z nomogramu wyjaśniono w tekście

wiadającyćh kształtowi otworu; w rozważanym przykładzie przyjmujemy ten stosunek wymiarów boków za równy 4 (C) (w przypadku otworu kwadrato­wego i okrągłego 1).

3. Prowadzimy prostą pionową do rodziny krzywych odpowiadających powierzchni otworu wyrażonej w centymetrach kwadratowych (B).

4. Prowadzimy prostą poziomą w lewo do skali grubości ścianek otworu (długości tunelu); w danym przypadku mamy 1,3 cm (^4). Kolejność ustalania poszczególnych wartości może być inna. Na przykład przyjmujemy powierzchnię otworu okrągłego i znamy częstotliwość rezonan­sową/r posiadanego głośnika, zmiennymi zaś są objętość obudowy i długość tunelu. Należy jednak pamiętać, że długość tunelu nie powinna być większa niż 0,6 głębokości obudowy.

Na podstawie licznych badań stwierdzono, że — w odniesieniu do danego głośnika — istnieje zakres optymalnej objętości obudowy. Jedno z zaleceń przewiduje wykonanie następującej próby: należy zmontować głośnik w obudowie i zamknąć szczelnie otwór — tak, abyśmy mieli do czynienia z obudową zamkniętą. Częstotliwość rezonansowa głośnika powinna teraz zwiększyć się 1,5 do 1,6 razy (1,5 f _r do l,6/_r). Następnie dobiera się odpowied­nie wymiary otworu.

Często ograniczenia co do wymiarów obudowy zmuszają do stosowania obudów o objętości mniejszej niż optymalna. W zestawach głośnikowych do użytku domowego objętość obudów z otworem wynosi 25 do 100 dcm³.

41

^	\\\\\\\v \ \
\— .	\
1	\
x^	\
^3	c ^
\]	\
\j	\
^J	\
	\
R	\ \
\\\	\\ \\\ \\ \

nym w środku membrany biernej. Wykonywanie i ew. dostrajanie tunelu nie jest potrzebne. W warunkach amatorskich membrana bierna ułatwia właści­we dostrojenie obudowy, gdyż jest łatwo obserwować jej drgania rezonanso­we i membrany głośnika.

^MMB'^SMB

Wiele firm chętnie konstruuje zestawy głośnikowe w obudowie z membra­ną bierną. Na rysunku 5-5 przedstawiono typowy tego rodzaju zestaw.

Rys. 5-6. Zestaw głośnikowy firmy Ortofon, którego obudowa ma element stratny; moc zestawu 50 W, wymiary 330 x 600 x 234 mm

Rys. 5-3. Charakterystyki przenoszenia głośnika w obudowie z otworem w zależności od wymia­rów otworu (przykład)

l — otwór mały; 2 — otwór średni; 3 — otwór duży, równy powierzchni czynnej mem­brany głośnika

Na rysunku 5-3 przedstawiono trzy charakterystyki przenoszenia zestawu głośnikowego o obudowie z otworem, w zależności od wymiarów otworu.

JU dB 25 20 15 10 5

/

/

/

/

s Sj

s

/ /

/ /

/

^ ^

.^

^.

•—~N.

^~

^^

l/

/,

/

2/

/

3 /

200 300 Hz 500

20 30

50 70 100 f ——

iastosowano głośnik o bardzo małej częstotliwości rezonansowej, wobec jego własności głośnika w zasadzie nie wpływają na przebieg charakterys-Ic. Z charakterystyk tych wynika, że większe wymiary otworu zwiększają ęstotliwość rezonansową f_H obudowy i powodują zwiększenie maksimum zonansowego. Własności rezonansowe obudowy są w tym przypadku silnie yrażone (duża dobroć układu). Przy zmniejszaniu otworu, maksimum rezonan-we ulega spłaszczeniu i przesuwa się ku mniejszym częstotliwościom. Z zedstawionych charakterystyk wynika, że jeśli — przy ograniczonej mocy macniacza — chcemy uwypuklić basy, powinniśmy zastosować obudowę z worem o dużych wymiarach (0,4 do 0,8 powierzchni czynnej membrany ośnika). W zestawach Hi-Fi natomiast należy stosować małe otwory (20 do

cm²).

Do obudowy z otworem wprowadza się trochę materiału tłumiącego. >krywa się nim tylną ściankę oraz górną i dolną. Wnętrze obudowy •zostaje wolne.

budowa z membraną bierną

mdowę z membraną bierną (rys. 5-4) można uważać za odmianę obudowy otworem, gdyż zamiast otworu otwartego mamy membranę . bierną, lieszczoną w otworze ścianki obudowy. Częstotliwość rezonansowa tadu zależy od masy membrany biernej zwiększonej o masę współdrgającą mb) i podatności akustycznej obudowy C₀. Ta częstotliwość rezonansowa

t

najczęściej równa częstotliwości rezonansowej głośnika f_r bądź nieco ejsza, co jest tak samo korzystne, jak w przypadku klasycznej obudowy z orem.

Zastosowanie membrany biernej daje określone korzyści konstrukcyjne, two jest uzyskać pożądaną wartość częstotliwości rezonansowej, gdyż mbranę można w razie potrzeby obciążać krążkiem metalowym przykleja-

Rys. 5-4. Obudowa z membraną bierną C„ - podatność akustyczna obudowy; M_MB — masa membrany biernej z masą współdrgającą; S_MB -powierzchnia czynna membrany biernej

Rys. 5-5. Zestaw głośnikowy firmy Celesrion z membraną bierną; moc zestawu 25 W, wy­miary 280 x 584 x 235 mm

43

W 6. Wośniki i zestawy tubowe oraz zestawy labiryntowe

stratnym

Interesującą odmianą obudowy akustycznej jest obudowa z otworem stratnym (rezystancyjnym). Na rysunku 5-6 widzimy zestaw głośnikowy, w którego obudowie zastosowano element stratny (ang. Acoustical Resistance Unit, w skrócie ARU). Znajduje się on w lewym górnym narożu obudowy. Element ten składa się z porowatego materiału zamocowanego między dwiema sztyw­nymi siatkami (metalowymi lub tłoczonymi z tworzywa sztucznego) uniemoż­liwiającymi jego ruch przy zmianach ciśnienia w obudowie. Zmiany ciśnienia w obudowie powodują określony przepływ powietrza przez otwór stratny. Wskutek rezystancji akustycznej powstają straty energii. Wpływają one na zachowanie się głośnika, powodując dodatkowe tłumienie akustyczne drgań membrany. Z teoretycznego punktu widzenia obudowa z otworem stratnym jest bardzo skomplikowana. Praktycznym celem, który przyświecał jej kons­truktorom, było znalezienie rozwiązania lepszego niż obudowa z otworem, a jednocześnie lepszego niż obudowa całkowicie zamknięta.

Zależnie od objętości obudowy, powierzchni otworu i rezystancji akustycznej w otworze, obudowa z otworem stratnym może mieć własności bliżone do obudowy z otworem lub obudowy zamkniętej. Obudowa taka wnosi większe bądź mniejsze tłumienie układu drgającego głośnika w zakre-ie małych częstotliwości akustycznych.

Otwór stratny może być wykonany w warunkach amatorskich w postaci >aru warstw spranego płótna, mocno zamocowanego między dwiema desecz-ami, w których wywiercono otwory o średnicach 15-20 mm. Całkowita zwierzchnia otworów wynosi od 0,2 do 0,3 powierzchni czynnej membrany łośnika. Trudność polega na dobraniu optymalnych parametrów tak wyko-anego elementu stratnego. Najlepiej jest wykonać kilka elementów różnią-ych się powierzchnią otworów i gęstością tkaniny, a następnie - podczas rób zestawu głośnikowego - wybrać element dający najlepsze wyniki. Dysponując obudową o objętości od 40 do 50 dcm³, można przewidzieć niej zastosowanie wymiennych wkładek, którymi mogą być elementy :ratne o różnych parametrach i otwory o różnej powierzchni. Można ówczas przeprowadzić wiele doświadczeń i wybrać rozwiązanie, które w anych warunkach daje najlepsze wyniki.

Własności tuby jako urządzenia do wzmacniania dźwięku oraz jego ukierun­kowania były znane od zamierzchłych czasów. Tuby akustyczne, często stoso­wane już w epoce gramofonu mechanicznego, umożliwiały wydatne polepsze­nie promieniowania dźwięku przez z natury rzeczy małe membrany tych gramofonów. Tuba spełnia bowiem rolę akustycznego elementu dopasowują­cego między membraną i otaczającym ją powietrzem. Dzięki tym własnoś­ciom różnego rodzaju tuby zaczęto stosować w urządzeniach głośnikowych - zwłaszcza tam, gdzie jest konieczne polepszenie sprawności przetwarzanej przez głośniki energii.

a)

Na rysunku 6-1 przedstawiono w przekroju dwa głośniki tubowe. Głośniki te mają membranę o małej średnicy (zazwyczaj mniejszej niż 100 mm), zamykającą tzw. komorę sprzęgającą, która łączy się z tubą przez jeden bądź kilka otworów o małej średnicy. Drgania membrany powodują zmienne sprężanie i rozprężanie powietrza w komorze sprzęgającej i przenoszenie się drgań membrany na wlot tuby, przy czym prędkość ruchu cząstek jest tu większa niż na powierzchni membrany. Ponieważ ciśnienie w całej komorze sprzęgającej jest jednakowe, siła działająca na membranę jest wielokrotnie większa niż siła działająca na wlot tuby, proporcjonalnie do różnicy stosunku powierzchni. W związku z tym impedancja akustyczna obciążająca membra­nę jest wielokrotnie większa niż impedancja akustyczna wlotu tuby. Mały

45

Rys. 6-1. Szkice głośników tubowych: a) z tubą prostą (wykładniczą); b) z tubą zwiniętą

no „a rys. 6-2. P„_)ąrae„,e _8l„ś„?_k,,™ ,e_g odpow,ed„,_{ą tubą} w _z«aw p_rzy„o_si w *

sci.

o długości zaledwie 25 cm i o wylocie 600 cm². Wylot tuby może być prostokątem.

Klasyczna obudowa labiryntowa jest w zasadzie rurą zamkniętą głośni­kiem z jednej strony, a otwartą z drugiej. Gdy membrana głośnika drga z taką częstotliwością, że wzdłuż rury układa się 0,5 długości fali dźwiękowej, to strona przednia membrany głośnika i powietrze u wylotu rury drgają w fazie zgodnej, co jest korzystne. Taki efekt przy częstotliwości 60 Hz można by uzyskać wówczas, gdyby długość labiryntu wynosiła 2,8 m; aby utworzyć kanał o takiej długości, nawet w postaci zwiniętej, jest jednak potrzebna obudowa o dużych wymiarach.

Przy zmniejszaniu częstotliwości, gdy długość labiryntu jest równa 0,25 długości fali, zwiększa się znacznie rezystancja akustyczna obciążająca mem­branę, a wylot labiryntu silnie promieniuje. Fazy drgań membrany głośnika

Rys. 6-3. Obudowa tubowa firmy Lowther, polepszająca przenosze­nie najmniejszych częstotliwości

akustycznych (basów) / — głośnik; 2 — kanał tuby; 3 — wylot tuby

Rys. 6-2. Tubowy głośnik wysokotonowy

firmy Decca

Membrana jest utworzona z wstęgi metalowej o masie l O mg; pasmo prze­noszenia 2500 do 25000 Hz

Na rysunku 6-3 widzimy obudowę tubową z wmontowanym głośni-:iem. Przednia strona membrany pozostaje otwarta i promieniuje dźwięki > częstotliwościach większych. Tylna strona membrany jest połączona z tubą tworzoną wewnątrz obudowy. Odpowiednio dobierając kształt tuby zapew-ia się skuteczne promieniowanie dźwięków od 40 Hz, przy czym sprawność lergetyczna takiego zestawu tubowego w zakresie 50 do 500 Hz osiąga )°/o» a więc może być 10-krotnie większa niż sprawność zestawu zamknię-go-

Zaletą zestawu tubowego jest także silne obciążenie rezystancją akustycz-membrany głośnika, co wpływa na zmniejszenie amplitudy drgań zniekształceń nieliniowych wnoszonych przez głośnik. Zalety zestawów bowych przemawiają za ich szerokim stosowaniem także jako domowych stawów głośnikowych Hi-Fi. Niestety, mają one duże wymiary i są kosz-wne. Warto jeszcze wspomnieć o możliwości wykorzystania tuby do polep-;nia działania głośników średniotonowych. Przyprawiając tubę do głośnika wartego o średnicy 10 do 16 cm, można znakomicie polepszyć promienio-nie w zakresie 400 do 4000 Hz. Do tego celu może być zastosowana tuba

Rys. 6-4. Obudowa labiryntowa realizująca za­sadę długiego toru akustycznego l — głośnik wysokotonowy; 2 — głośnik średniotonowy; 3 — materiał tłumiący; 4 — głośnik niskotonowy; 5 — wełna owcza; 6 — wylot kanału

47

Przy wykonywaniu takiej obudowy największy kłopot sprawia aooor właściwego wypełnienia kanału materiałem dźwiękochłonnym. Wypełnienie kanału materiałem zbyt silnie sprasowanym, upodabnia ją do obudowy zamkniętej. Przy niedostatecznym wypełnieniu kanału własności tej obudowy stają się zbliżone do własności klasycznej obudowy labiryntowej. Próby wykonane przez renomowanych producentów wykazały, że najlepszym mate­riałem dźwiękochłonnym do tego typu obudów jest długowłosa wełna owcza, dość luźno wypełniająca cały kanał obudowy. Bezpośrednio za głośnikiem umieszcza się gęstszy materiał dźwiękochłonny, wypełniający przeciwległe naroże obudowy; przeciwdziała on odbijaniu się krótszych fal promieniowa­nych przez tylną stronę membrany głośnika.

W obudowie labiryntowej przedstawionej na rys. 6-4 zastosowano dwa głośniki niskotonowe wmontowane w boczne ścianki obudowy. W przypad­ku jednego głośnika niskotonowego umieszcza się go w ścianie czołowej obudowy. Głośniki: średniotonowy i wysokotonowy mogą być umieszczone w dodatkowej małej obudowie zamkniętej lub w ścianie czołowej obudowy głośnika niskotonowego. Opisana obudowa należy do dużych. Według tej samej zasady można skonstruować obudowy mniejsze. Są znane przykłady udanych obudów o wymiarach 75 x 38 x 33 cm (głośnik niskotonowy o śred­nicy 20 cm) i o wymiarach zaledwie 47 x 25 x 25 cm (głośnik niskotonowy o średnicy 13 cm).

Pominiemy niektóre bardzo rzadko spotykane rozwiązania obudów do zestawów głośnikowych. Zwrócimy tylko uwagę na dość często stosowane łączenie własności dwóch rodzajów obudów w jednym zestawie głośniko­wym. Na przykład stosuje się obudowę z otworem, a jednocześnie przed głośnikiem ukształtowuje się krótką tubę, polepszającą promieniowanie nieco większych częstotliwości.

---