dodatek7 zwrotnice

BeL

acoustic

BIBLIA DŹWIĘKOWCA

WG. ELECTRO-VOICE

DODATEK 7 ZWROTNICE CZĘSTOTLIWOŚCIOWE PASYWNE I AKTYWNE (CROSSOVERS AND BIAMPING)

W jednym z rozdziałów naszej „BIBLII” omawialiśmy zwrotnice i niektóre z ich aspektów. W niniejszym dodatku spojrzymy głębiej w to zagadnienie i postaramy się odpowiedzieć na niektóre z pytań „jak” i „dlaczego”, a także przedstawimy zalety zwrotnic aktywnych.

Zwrotnica częstotliwościowa jest urządzeniem, które ma za zadanie rozdzielić pełne pasmo akustyczne (sygnał elektryczny) na poszczególne tory odpowiadające niskim i wysokim tonom w przypadku głośnikowego zespołu dwudrożnego, lub na więcej takich pasm (przedziałów), jeśli nasz system posiada więcej torów. Obecność zwrotnicy jest konieczna do oddzielenia i skierowania sygnałów elektrycznych wychodzących ze wzmacniacza do odpowiednich głośników wchodzących w skład zespołu głośnikowego. Głośniki różnych rozmiarów służą do przetwarzania różnych fragmentów pasma akustycznego. Duże głośniki z membraną stożkową ( zazwyczaj o średnicy kosza 30, 38 lub 46 cm) najlepiej przetwarzają częstotliwości niskie i do tego celu są zazwyczaj projektowane. Ich względnie wielkie powierzchnie membrany i możliwość dużego wychylenia układu ruchomego (cewka i membrana) pozwalają na odtworzenie niskich tonów z dużą głośnością. Mniejsze głośniki zaś, takie jak wysokotonowe, czy przetworniki ciśnieniowe projektowane do współpracy z tubami (ang. compression drivers), są w stanie odtworzyć wysokie tony zapewniając im jednocześnie dużą dyspersję. Ponieważ różne głośniki potrzebne są do właściwego odtworzenia całego pasma akustycznego, potrzebne jest cos, co zapewni skierowanie właściwej części tego pasma do odpowiednich głośników. Tę funkcję spełnia zwrotnica.

Jeśli doprowadzimy sygnał niskoczęstotliwościowy do małego i delikatnego głośnika wysokotonowego, to jego mała membrana będzie usiłowała wykonać drgania z bar dzo wielką amplitudą i szybko ulegnie zniszczeniu. Jeśli zaś sygnał o dużej częstotliwości przyłożymy do wielkiego głosmka niskotonowego, to co prawda nie ulegnie on zniszczeniu, ale też me uzyskamy zeń prawie żadnych wysokich tonów. Wielka i ciężka membrana takiego głośnika po prostu nie jest w stanie poruszać się na tyle szybko, by je odtworzyć.

CZĘSTOTLIWOŚĆ PODZIAŁU I NACHYLENIE CHARAKTERYSTYKI

Rysunek 1 przedstawia charakterystyki częstotliwościowe odpowiadające trzem typom spotykanych zwrotnic. Charakterystyki „górnoprzepustowe” odpowiadają sekcji mającej za zadanie przepuścić tylko wysokie tony, zaś charakterystyki „dolnoprzepustowe” reprezentują sekcję nis-kotonową. „Częstotliwość podziału” jest tą częstotliwością, na której obie te krzywe się spotykają. Dla krzywych z rysunku 1 częstotliwość podziału wynosi 800 Hz. '

Rysunek 1 pokazuje także trzy różne „nachylenia charakterystyki”. Jest to stopień w jakim sekcja dolnoprzepusto-wa (albo gornoprzepustowa) tłumi sygnały o niepożądanych częstotliwościach powyżej (albo poniżej) częstotliwości podziału. Na przykład nachylenie „6 decybeli na oktawę” (w skrócie 6 dB/okt) oznacza, że zwrotnica obniża poziom sygnału dochodzącego do głośnika o 6 dB jeśli częstotliwość tego sygnału zmieni się o oktawę (albo

RYSUNEK 1 - Idealny przebieg w trójdrożnej zwrotnicy

o jeszcze jedną oktawę) w porównaniu do częstotliwości podziału. „Zmiana o oktawę” oznacza podwojenie, lub zmniejszenie się o połowę pewnej częstotliwości odniesienia np. 800 Hz do 1600 Hz, lub 800 do 400 Hz.

Inne dwie wartości nachylenia charakterystyki pokazane na rysunku 1, to 12 i 18 dB/okt. Nachylenia te są bardziej strome i w bardziej radykalny sposób odcinają sygnały o niepożądanych częstotliwościach, co w praktyce oznacza większą odporność sekcji wysokotonowej na przesterowa-nie, oraz zawężenie przedziału jednoczesnej pracy obu sekcji (nisko- i wysokotonowej) wokół częstotliwości podziału.

TYPY ZWROTNIC Zwrotnice „pasywne”

Zwrotnicę „pasywną” (albo „wielkosygnałową”) spotykamy najczęściej w większości systemów wielodrożnych HiFi, albo w mniejszych systemach P.A. (nagłośnieniowych). Ten typ zwrotnic składa się z kondensatorów, cewek indukcyjnych i rezystorów. Układy te nie wymagają oddzielnego zasilania i stąd ich nazwa. Ponieważ zwrotnice te znajdują się zazwyczaj we wnętrzu zespołu głośniko wego, muszą więc cechować się dużą obciążalnością, która pozwoli im na wytrzymanie dostarczonej przez wzmacniacz mocy (stąd nazwa „wielkosygnałowe”). Rysunek 2 przedstawia prostą zwrotnicę pasywną.

Zwrotnice „aktywne”

Zwrotnicę „aktywną” („małosygnałową”) umieszcza się zawsze przed wzmacniaczami mocy zasilającymi każdy głośnik z osobna tak, jak to pokazano na rysunku 3. Zwrotnica taka ma doczynienia z sygnałami o napięciu bliskim jednego volta, stąd i jej nazwa „małosygnałowa”. Urządzenie to wciąż wykonuje zadanie rozdziału pasma akustycznego na składowe nisko- i wysokoczęstotliwościo-we, ale tym razem jego wyjścia podłączone są do wzmacniaczy mocy zasilających głośniki. (Powiemy o tym więcej za chwilę.) Zwrotnica aktywna zbudowana jest najczęściej na wzmacniaczach operacyjnych, lub na tranzystorach, oraz na towarzyszących im innych elementach realizujących filtry elektryczne i, co ważne, wymaga oddzielnego zasilania - stąd nazwa „aktywna”.

KTÓREJ UŻYĆ - AKTYWNEJ, CZY PASYWNEJ?

Jeśli nasz system jest mały i nie wymagamy od niego dużego poziomu natężenia dźwięku, to ekonomiczna strona naszego przedsięwzięcia wyraźnie się narzuca i warto pozostać przy zwrotnicy pasywnej. Systemy takie, jak np. E-V S15-3 posiadają wbudowaną zwrotnicę, zapewniającą najwyższą jakość dźwięku z podzespołów, do których została zaprojektowana. Zwrotnice pasywne są bardzo praktycznym rozwiązaniem spotykanym w wielu systemach głośnikowych. Z drugiej zaś strony - zwrotnice aktywne w wielu przypadkach nie oferują wiele więcej, niż wyższe koszty.

W przypadku stosowania większej ilości podzespołów (np. tub wysokotonowych, przetworników do tych tub, „odwro-tek” - tubowych obudów basowych itd.) może się okazać, że wybranie koncepcji aktywnych zestawów głośnikowych da nam niższe koszty i poprawi jakość dźwięku systemu. Jedna zwrotnica bowiem prowadzić będzie sygnał do wielu wzmacniaczy i, w konsekwencji, do wielu głośników.

DLACZEGO AKTYWNA?

Zestaw aktywny wymaga zwrotnicy małosygnałowej wtrąconej w tor elektroakustyczny pomiędzy mikser a wzmacniacze mocy. Nie musi ona posiadać znacznej wytrzymałości mocowej, bo moc w mej praktycznie się nie wydziela. Ponieważ wejście wzmacniacza ma charakter prawie całkowicie rezystancyjny, to obciążenie układu nie wpływa w istotny sposób na pracę zwrotnicy. (Jeśliby tak się zdarzyło, to częstotliwości podziału lub nachylenie krzywych mogłyby ulec zmianie.)

Warto zaznaczyć, że zwrotnice aktywne są generalnie łatwiejsze w użyciu, i że łatwiej je wyregulować, niż ich pasywne odpowiedniki. Niektóre z ostatnio dostępnych urządzeń tego typu (takie jak np. TAPCO EX-18) posiadają regulowaną częstotliwość podziału, co pozwala na łatwy wybór punktu pracy każdego z głośników, które mogą w tym przypadku pochodzić od różnych wytwórców. Warto wiedzieć, że głośniki potrafią różnic się efektywnością nawet ponad dwukrotnie (od 3 do 10 dB), co niestety działa na naszą niekorzyść. Wyrównanie poziomów dokonuje się zazwyczaj za pomocą rezystorów umieszczanych przed głośnikiem o większej sprawności (zwykle wysokotonowym), co jest niczym innym, jak marnowaniem mocy wzmacniacza na ogrzewanie tego rezystora. Pewnym rozwiązaniem problemu jest zastosowanie zwrotnic firmy Electro-Voice XEQ808 i XEQ804, które stosują pojemności zamiast rezystorów, spełniające tę samą funkcję redukowania poziomu sygnału. Metoda ta posiada jeszcze jedną zaletę: zapewnia pasywną korekcję charakterystyki przetwornika i ponieważ nie jest oparta na rezystorach, nie powoduje marnotrawienia części mocy dostarczanej przez wzmacniacz na ich ogrzewanie.

W systemach aktywnych różnice w efektywności można wyrównać elektronicznie, za pomocą np. pokrętła wzmacniacza, co oznacza, że doprowadzony do układu głośników sygnał produkuje muzykę, a nie ciepło.

Żeby zilustrować różnicę pomiędzy konwencjonalną, a aktywną zwrotnicą weźmy pod uwagę przykładowy system dwudrożny posiadający konwencjonalną zwrotnicę pasyw-

SYSTEM GŁOŚNIKOWY

RYSUNEK 2 - Zwrotnica pasywna

ną i jednokanałowy wzmacniacz mocy. (Nie biegnijmy od razu do sprzętu, ale po prostu zobaczmy, jak to działa!) Podłączywszy wszystko razem tak, jak na rysunku 2, doprowadźmy do wejścia wzmacniacza ton o niskiej częstotliwości np. nutę C zagraną na fortepianie. To około 126 Hz. Pokręćmy teraz pokrętłem wzmocnienia wzmacniacza tak, żeby uzyskać jego przesterowanie. To zabrzmi strasznie!

Nieprzyjemny, charczący zgrzyt - to właśnie brzmienie przesterowanego wzmacniacza i wszystko, co w tym momencie może zrobić głośnik, to odtworzyć (pożądany) ton podstawowy i dodatkowo całe mnóstwo harmonicznych (niepożądanych) będących produktem przesterowa-nia. Obcięte szczyty sygnału zaczynają przypominać coraz bardziej falę prostokątną, która składa się z nieskończonej ilości nieparzystych tonów harmonicznych. Jeśli przesterowanie zmniejszymy, to zmniejszy się także ilość produkowanych harmonicznych i brzęczenie przestanie być tak słyszalne.

To niestety me wszystko. Moc średnia dostarczona do głośnika wysokotonowego może w drastyczny sposob ulec zwiększeniu, dzięki dodatkowi tonów harmonicznych. Na dłuższą metę może to grozić uszkodzeniem głośnika, a to już kosztuje. Mimo, że ton posiada stosunkowo niską częstotliwość, 126 Hz, to jednak możemy uszkodzić głośnik wysokotonowy, bowiem produkowane przez przesterowa ny wzmacniacz harmoniczne mogą mieć moc znacznie większą, niż znamionowa moc biednego głośniczka Jeśli już doprowadzimy do przesterowania, to przesterowane będzie wszystko, cokolwiek pojawi się na wejściu wzmacniacza.

Zmiana sygnału na wejściu wzmacniacza z ciągłego tonu na materiał muzyczny niewiele zmieni, z wyjątkiem czasu, który wzmacniacz spędza na ograniczaniu szczytów sygnału. Ponieważ widmowy rozkład energii typowego materiału muzycznego ma taki, a nie inny charakter i pomeważ głośniki niskotonowe posiadają zazwyczaj niższą efektywność, więc większość dysponowanej mocy wzmacniacza zamieniana jest na falę dźwiękową właśnie przez nie. Dla odmiany - tony wysokie posiadają, dzięki ich naturze, szyb-kozmienne stany przejściowe i nie potrzebują podobme dużych wartości mocy. Ale dodane do niskich tonow o dużej amplitudzie, spowodują niechybnie przesterowa nie wzmacniacza mocy, co objawia się znanymi efektami dźwiękowymi.

Różnica poziomu średniego i maksymalnego dla typowych nagrań muzycznych wynosi około 10 dB. W przypadku niektórych źródeł, jak np. niczym nie ograniczane wyjście stołu mikserskiego, różnica ta może się znacząco zwiększyć. Uderzenie talerzy może z łatwością wygenerować stany przejściowe o 20 dB wyższym poziomie, niż przeciętny. Dla wzmacniacza o mocy 100 W te 10 dB różnicy oznacza, że moc przeciętna przezeń oddawana do obciążenia wyniesie 20 W, ale szczyty tego sygnału sięgać będą 200 W. (Tak, tak - dostaniemy 200 watów dlatego, że szczyt sygnału sinusoidalnego używanego do określania mocy naszego wzmacniacza jest dwukrotnie wyższy, niż sygnał o przeciętnym, czy też „RMS” poziomie. RMS - wartość sredniok-wadratowa.) Ta różnica między poziomem sredmm, a wartością szczytową nazywana bywa zapasem mocy. Chcesz tak dużo tego zapasu, jak tylko możesz dostać. Oczywiście - jednym ze sposobów na uzyskanie takiego zapasu jest zakupienie dodatkowych watów - najlepiej największego wzmacniacza, na jakiego Cię stać. Ale kiedy już go masz i wykonałeś wszystkie połączenia (zawsze przy wyłączonym zasilaniu!), to siądź i posłuchaj. Najprawdopodobniej otrzymasz czystszy dźwięk i wszystko będzie dobrze, dopóki nie przekręcisz regulatorów wzmocnienia zbyt w prawo, albo nie pojawi się silne zakłócenie (trzask, stuk) w torze odsłuchu. Co się stanie?

No cóż, biedny głośnik wysokotonowy, o typowej wytrzymałości 10-40 watów, dostawszy kilka setek tych watów, wykona wszystko, co w takim przypadku można: PRZEPALI SIĘ NATYCHMIAST! Zalegająca wówczas cisza jest naprawdę ogłuszająca. Później, gdy już się za to weźmiesz, będziesz musiał jeszcze zapłacić kolesiowi, który przyjdzie wymienić membranę na nową, wiedząc, że za parę takich napraw on sobie zafunduje wycieczkę na Hawaje. I za te 50 wyrzuconych dolarów zrobi to natychmiast...

Zeszliśmy jakby trochę z tematu, ale do tego, co już powiedzieliśmy, dodąć należy jeszcze dwie rzeczy. Nigdy nie należy doprowadzać do przetwornika większej mocy, niż podano i jeśli to tylko możliwe - używajmy wszelkiej maści zabezpieczeń przed przeciążeniem. Jeśli nie znasz mocy znamionowej swoich głośników wysokotonowych, to przejrzyj, drogi Czytelniku, rozdział 2 „Biblii P.A.”, który pomoże Ci zrozumieć pełniej zagadnienie wytrzymałości mocowej.

GŁOŚNIK

WYSOKOTONOWY

GŁOŚNIK

NISKOTONOWY

Dość już powiedzieliśmy o klasycznych zwrotnicach, przejdźmy więc do aktywnych. Podłączmy teraz aktywną zwrotnicę tak, jak to pokazano na rysunku 3. Dołączmy wzmacniacze do naszej zwrotnicy: jeden do tonów wysokich, jeden do niskich. No i w końcu przyłączmy głośnik(-i) niskotonowy do wzmacniacza mocy niskich tonów i wysokotonowy do kanału wysokotonowego. Wszystkie połączenia wykonaliśmy oczywiście przy WYŁĄCZONYM zasilaniu końcówek mocy.

O.K., podajrąy teraz na wejście całego zestawu ten sam dźwięk, co poprzednio - nutę C z naszego fortepianu - i ustawmy wzmocnienie tak, jak poprzednio. Dźwięk pozostaje względnie czysty, a mimo to jest coraz to głośniejszy. Jeśli wzmacniacz niskich tonów zacznie wykazywać oznaki przesterowania, to tony harmoniczne, które powstaną, doprowadzone będą wyłącznie do zacisków głośnika nis-kotonowego, któremu zresztą dosyć ciężko będzie je prze tworzyć. Wysokie tony zaś odtworzone będą czysto i wyraźnie, a z nimi dźwięk jako całość, bowiem ich wzmacniacz nie został przesterowany, no i o to nam chodziło, nieprawdaż? Spróbujcie osiągnąć to samo klasyczną zwrotnicą. Nie, lepiej nie, szkoda pieniędzy...

Gdyby przyszło nam teraz uderzyć w dwa - a nie jeden -klawisze naszego fortepianu, najlepiej skrajne, to powstały ton kombinacyjny znowu zabrzmi lepiej na zestawie aktywnym, ponieważ nawet, jeśli przesterujemy wzmacniacz od tej niskiej nuty, to dźwięk wysoki odtworzony będzie czysto i spowoduje zamaskowanie tego drugiego. W zestawach testowych, gdzie sprzęt pracuje na pograniczu swych możliwości (a tak to na ogół wygląda), głośnikowe zestawy aktywne dają naprawdę czysty i klarowny dźwięk.

Podsumujmy, istnieje niewielka współzależność między zwrotnicą aktywną, a współpracującym z nią wzmacniaczem mocy, co pozwala na znaczne zmniejszenie zniekształceń. Wzmacniacz w torze głośnika wysokotonowego powinien mieć odpowiednią moc, nie stwarzającą zagrożenia dla mocy głośnika. Końcowym rezultatem jest zestaw aktywny, potrafiący zapewnić większy poziom natężenia dźwięku, mniejsze zniekształcenia i większą niezawodność. Tak, jest to na pewno bardziej kosztowna opcja, ale w porównaniu z ceną nowych wysokotonówek i zmarnowanym czasem, jest to kropla w wiadrze. Rozbudowa systemu też jest łatwiejsza - polega wyłącznie na dodawaniu nowych głośników i wzmacniaczy.

UWAGI OGÓLNE

0    AKTYWNYCH ZESPOŁACH GŁOŚNIKOWYCH Istnieje wiele dostępnych podzespołów elektronicznych, z których można zbudować kompletny system. Głośniki powinny być wybrane tak, by ich charakterystyki wzajemnie się uzupełniały. Wzmacniacze współpraącujące z tymi głośnikami powinny również być wybrane starannie (patrz „BIBLIA P.A.”, Dodatek nr 2). Zwrotnica powinna posiadać nachylenie krzywych adekwatne do użytych głośników

1    powinna być kompatybilna elektrycznie z resztą elektroniki w systemie. Upewnijmy się, że zwrotnica pokryje zakresem częstotliwość podziału przez nas wybraną i zwróćmy uwagę na nastawy częstotliwości podziału -żeby nie dopuścić do nastawienia np. 100 Hz zamiast pożądanego 1000 Hz.

W „BIBLII P.A” omawialiśmy już wstępne równoważenie poziomów niskich i wysokich tonów. Upewnijmy się, że dane podane przez producenta naszego głośnika wysokotonowego zawierają najniższą dopuszczalną, lub też zalecaną częstotliwość podziału. Ustawienie częstotliwości wyższej niż zalecana niczego nie uszkodzi, choć można uzyskać efekty gorsze, niż spodziewane.

Nie próbujmy używać korektora graficznego do podreperowania złego zrównoważenia tonów niskich i wysokich. Ustawienie takie powinno być wykonane w zwrotnicy, lub we wzmacniaczu. Korektor graficzny jest wspaniałym urządzeniem do „dostrajania” się do akustyki pokoju, czy sali, ale przesadzenie z nadmiarem korekcji zastosowane do kiepskiego systemu postawi przed nim najprawdopodobniej takie wymagania, że niechcący zafundujemy mu dłuuugi odpoczynek... Jest to szczególnie aktualne na krańcach pasma akustycznego - częstotliwościach bardzo niskich i bardzo wysokich (powyżej zakresu przetwarzania)

W systemie aktywnym głośniki wysokotonowe dołącza się bezpośrednio do zasilającego je wzmacniacza, co jest niewątpliwie rewelacją, choć jeśli trafił nam się wzmacniacz mocy produkujący stany nieustalone przy włączaniu go do sieci, albo jeśli ten wzmacniacz po prostu się zepsuje, to to samo stanie się z naszymi wysokotonówkami. Kondensatory zabezpieczające pomogą nam bardzo w uporaniu się z tym problemem. Producenci głośników na ogół podają typ i wartość takiej dołączanej w szereg pojemności, choć w przypadku braku takiej informacji możemy kierować się poniższymi wskazówkami. Stosujemy na ogół kondensatory bipolarne (takie jak np. rozruchowe z silników elektrycznych) o napięciu znamionowym wyższym niż najwyższe możliwe do uzyskania ze wzmacniacza mocy (70 - 120 V). Dodanie szeregowego kondensatora spowoduje powstanie filtru o nachyleniu krzywej 6 dB na oktawę i dodatkowo ustrzeże nas przed pojawieniem się stałego napięcia na wyjściu wzmacniacza. Podany wzór może być użyty do obliczenia wartości pojemności, która wynika z połowy częstotliwości podziału, co upewni nas, że dodatkowy filtr nie zakłóci normalnej pracy zwrotnicy. W poniższym wzorze C oznacza wartość pojemności w mikrofaradach, f to częstotliwość, zaś Z jest impedancją głośnika.

c =    ^{500 000}

n xfxZ

W normalnej zwrotnicy pasywnej to zabezpieczenie jest integralną jej częścią.

Należy także sprawdzić, aby przypadkowo nie podłączyć głośnika niskotonowego do wzmacniacza wysokich tonów i odwrotnie. Rezultaty są chyba oczywiste. Podczas początkowego słuchania głośność ustawiamy więc minimalną, ponadto sprawdzamy uchem, co dochodzi do każdego z głośników; ta ostatnia procedura pomaga nam dodatkowo sprawdzić, czy każdy z głośników pracuje poprawnie.

PODSUMOWANIE

Od tej pory Czytelnik powinien wiedzieć, czym się różnią zwrotnice pasywna i aktywna i jaką rolę spełniają one w systemach głośnikowych. I tak, zwrotnice pasywne są nieco tańsze, choć niewątpliwi© spełniają swoje zadanie tam, gdzie nie jest wymagana duża moc i system nie jest bardzo rozbudowany. Z drugiej zaś strony, zwrotnice aktywne pożądane są szczególnie tam, gdzie używa się

M

M

■

■

a

■

■

■

■

■

■

■

I

I

■

I

I

wielu zespołów głośnikowych i wzmacniaczy; jest dodatkowo bardzo elastycznym typem zwrotnicy z punktu widzenia użytkownika. Wybór między nimi prawie nigdy nie jest oczywisty, choć określenie, która z nich zadanie swoje spełni najlepiej należy już na szczęście do Ciebie, Czytelniku.

SPECJALNA UWAGA DLA CZYTELNIKA!

„BIBLIA DŹWIĘKOWCA” i niniejszy dodatek zostały opracowane, aby dopomóc w rozwiązywaniu problemów nagłośniania i kompletowania systemów dźwiękowych.

Prosimy o powiadamianie nas o innych problemach, którymi powinniśmy się zająć w kolejnych dodatkach.

Jeśli nie posiadasz egzemplarza Biblii i pragniesz go otrzymać oraz znaleźć się na naszej wysyłkowej Uście dla otrzymywania dalszych dodatków, prosimy o wypełnienie załączonej ankiety i wpłacenie odpowiedniej kwoty na adres podany niżej.

JeśU masz już BIBLIĘ, ale pragniesz otrzymywać kolejne dodatki, wystarczy przysłać tylko wypełnioną ankietę a pieniądze zatrzymać. Cóż za interes?!!

BPL acoustic ₈^u^S°_dⁿ“f^33d/36

Strona Piąta