Głośnik to jedno z najstarszych urządzeń telekomunikacyjnych, służy do transformacji sygnału elektrycznego na ciśnienie akustyczne. To właśnie on jest elementem znajdującym się na krawędzi światów elektryczności i doznań słuchowych. Jest elementem niezwykle ważnym w torze odsłuchowym, ponieważ od jego parametrów zależy w dużej mierze efekt końcowy. Zdarzyć się może, że materiał obrobiony za pomocą najlepszej aparatury i doświadczonych realizatorów nie zabrzmi właściwie, bo ktoś nie zadbał o odpowiednią klasę zestawów głośnikowych. Często wydaje się nam, że temat głośników jest już wyczerpany i wiemy o nich wszystko, ale czy na pewno?Zacznijmy od początkuW roku 1876 G. Bell opracował urządzenie umożliwiające powiązanie ciśnienia akustycznego z sygnałem elektrycznym. Urządzenie to, obecnie nazywane przetwornikiem elektroakustycznym, umożliwiło przekazywanie dźwięków na odległość sposobami elektrycznymi i dało początek telefonii. Przetwornik Bella z niewielkimi modyfikacjami materiałowymi do dziś stosuje się w aparatach telefonicznych jako słuchawkę.W 1880 roku bracia Jakub i Piotr Curie odkryli zjawisko piezoelektryczne w płytkach wyciętych z kryształu kwarcu. Zjawisko to odkryte zostało później w licznych innych kryształach. Na tej podstawie opracowano przetworniki piezoelektryczne, zastosowane między innymi w głośnikach, mikrofonach, słuchawkach i adapterach gramofonowych.Początki głośnika podobnego w formie do obecnych datuje się na lata 1877-1881. Powstał wtedy przetwornik magnetoelektryczny, którego główne elementy stanowią cewka umieszczona w stałym polu magnetycznym i połączona z nią sztywno membrana. Mimo że poznano różne sposoby transformacji pomiędzy ciśnieniem akustycznym a sygnałem elektrycznym i stosowano je do budowy przetworników, to jednak nikt nie potrafił dobierać elementów przetworników tak, aby uzyskać optymalne wartości wszystkich ich parametrów jednocześnie – zwykle polepszenie jednego z nich pogarszało inne. Taki stan rzeczy trwał do lat dwudziestych XX wieku, kiedy to A. F. Kenelly i A. G. Webster stwierdzili istnienie analogii między układami elektrycznymi, mechanicznymi i akustycznymi i wprowadzili do akustyki pojęcie impedancji. Jako pierwsi z istnienia analogii elektromechanicznych skorzystali J. P. Marfield i H. C. Harrison w 1926 roku projektując mechanoakustyczny adapter gramofonowy. Dalszy rozwój elektroakustyki wiąże się z rozwojem telefonii i radiofonii, które żądały coraz lepszych przetworników. Zwrócono uwagę nie tylko na same przetworniki, ale na ich obudowy. W ten sposób zostały opracowane ich różne typy od najprostszej odgrody, aż po dwustronne obudowy tubowe.Wielki rozwój akustyki w ciągu ubiegłego wieku nie wyczerpał dalszych jej możliwości, wręcz przeciwnie – sprawił, że akustyka znalazła zastosowanie w licznych dziedzinach nauki i sztuki, przyczyniając się do ich pogłębienia i rozwoju. Głośnik jako narzędzie pracyJak widać głośnik ma długą historię, zakorzenił się również w naszym życiu codziennym, stając się powszechnym, wręcz pospolitym narzędziem. Dla przeciętnego człowieka głośnik to drgająca membrana pobudzana sygnałem elektrycznym, w zasadzie urządzenie tak stare i tak banalnie proste, że nie kryje już żadnych tajemnic.Są jednak ludzie, dla których głośniki to niemal sens życia. Audiofile potrafią latami udoskonalać parametry swoich zestawów głośnikowych i wydawać przy tym fortunę.Dla ludzi profesjonalnie zajmujących się estradą głośniki to narzędzie pracy, nie ma tu miejsca na domysły i doświadczenia, liczy się dobry niezawodny sprzęt oraz rzetelna wiedza inżynierów i realizatorów. Dzięki rozwojowi nauki to, co kiedyś było powszechnie słuszne, dziś często okazuje się błędne, a nawet śmieszne. Dlatego starajmy się by to, co robimy było poparte silnie ugruntowana wiedzą. W całym zawirowanym świecie głośników i nagłaśniania mamy kilka drogowskazów, których słuszność jest udowodniona matematycznie. Specjalnie dla potrzeb inżynierów konstruktorów zostały stworzone narzędzia w postaci np. parametrów Thiele-Small’a lub teorii line array. Naukowcy ciągle pracują nad udoskonaleniem metod analizy rozkładów przestrzennych fali dźwiękowej w całym widmie. Papierowa rewolucjaNajwiększym zagrożeniem jest zalew tandetą i to niekoniecznie w niskiej cenie. Od kilku lat obserwuję zjawisko, które nazywam papierową rewolucją. Sprzęt, który jeszcze nie dawno walczył z barierą pewnych parametrów, dziś bez trudu je „pokonał”, mimo że fizycznie jest to niemożliwe – papier jednak wytrzyma wszystko. Najlepsi w dziedzinie bajkopisarstwa potrafią spełnić nasze najskrytsze życzenia: ich produkty charakteryzują kosmiczne moce przy niewielkich wymiarach, a sprawności energetyczne przekraczają czasem nawet 100%. Kiedy widzę jakiś bardzo ciekawy, egzotyczny głośnik, nie potrafię zrozumieć jak ktoś, kto go stworzył przy wielkim nakładzie pracy i środków, mógł zapomnieć o najważniejszych parametrach, od których zależy efekt końcowy. Zadanie głośnika jest proste: ma liniowo odpowiadać na pobudzenie sygnału elektrycznego. Nie piękna czerwona membrana lub też zapierający dech w piersiach blask aluminiowego kosza, lecz przemyślana konstrukcja jest gwarantem sukcesu. Niniejszy artykuł ma na celu przybliżenie czytelnikom zagadnień związanych z budową głośników oraz znaczeniem ważniejszych parametrów opisujących zjawiska fizyczne. W dalszej części artykułu przyjrzymy się bliżej rozwiązaniom proponowanym przez firmy znane i mniej znane. Podam wskazówki, dzięki którym będziemy w stanie obiektywnie ocenić proponowany nam sprzęt.Głośniki dynamiczneNiewątpliwie w zastosowaniach estradowych królują od wielu lat głośniki dynamiczne o dość prostej budowie, której przyjrzymy się za chwilę. Zasada działania głośnika dynamicznego jest zadziwiająco prosta:Magnes trwały jest „silnikiem” napędu głośnika, razem z nabiegunnikiem dolnym i górnym oraz jarzmem tworzy obwód magnetyczny ze szczeliną powietrzną tak, by strumień indukcji w szczelinie był możliwie największy, a co za tym idzie, aby układ był możliwie wydajny. Membrana jest zazwyczaj umocowana w 2 punktach tak, aby mogła swobodnie drgać razem z przymocowaną do niej sztywno cewką. Kiedy przez zwoje cewki przepływa prąd elektryczny o danym natężeniu i częstotliwości cewka umieszczona w szczelinie układu magnetycznego porusza się w osi prostopadłej do szczeliny pod wpływem oddziaływania pól w kierunku zgodnym z polaryzacja sygnału. Jak łatwo się domyśleć, amplituda drgań zależy proporcjonalnie od płynącego prądu, a częstotliwość tychże drgań jest równa częstotliwości sygnału elektrycznego.Konieczna teoriaDo roku 1970 bezpośrednie porównanie głośników różnych producentów było niemożliwe z powodu braku ujednoliconej metody. Wtedy to dwaj uczeni A.N. Thiele i Richard H. Small z Audio Engineering Society (AES) podali swój pomysł na wprowadzenie i usystematyzowanie parametrów głośników dynamicznych. System oparty o parametry Thiele’a-Small’a szybko przyjął się wśród producentów i inżynierów i jest stosowany do dziś. Określono go miane parametrów Thiele-Small’a.Podstawowe parametry Thiele-Small’aFs – częstotliwość rezonansowa [Hz] mierzona dla głośnika umieszczonego w obudowie spełniającej warunki nieskończonej odgrody. Warunki takiej obudowy spełnia głośnik umieszczony w środku kołowej ściany o promieniu w granicach 5 m.Znając Fs możemy wstępnie ocenić, jakie są możliwości głośnika w zakresie niskich częstotliwości. Ale uwaga, sugerowanie się tylko częstotliwością rezonansową jest dużym błędem, jest to tylko jeden z parametrów odpowiadający za dolną częstotliwość graniczną. Vas – objętość ekwiwalentna [litr]. Jest to objętość zastępcza obliczana na podstawie iloczynu podatności zawieszenia i powierzchni membrany. W przypadku typowych głośników 10” Vas znajduje się w przedziale 40 do 120, dla 12” od 100 do 600. Należy pamiętać, że ten parametr nie ma prostego przełożenia na objętość fizyczną, służy on tylko jako dana do kolejnych obliczeń.Qms – dobroć mechaniczna, czyli „tarcie” występujące w sumie na górnym i dolnym zawieszeniu w czasie reakcji na pobudzenie. Qes – dobroć elektryczna określająca relacje, jakie występują pomiędzy swobodnie zawieszoną w szczelinie cewką głośnika a samym obwodem magnetycznym.Qts – dobroć całkowita określana wzorem: Qts = (Qms x Qes) / (Qms + Qes). Jak widać ze wzoru jest to równoległe połączenie dwóch dobroci Qes i Qms, z czego wynika, że determinującym parametrem jest tu Qes, ponieważ jego wielkość jest zazwyczaj o rząd mniejsza. Generalnie parametr ten mówi nam o wydajności układu magnetycznego. W technice estradowej spotyka się głośniki o Qts od 0,6 do nawet 0,19, co jest już wyczynowym osiągnięciem. Uwaga!Jeśli mamy do czynienia z głośnikami firmy o wątpliwej reputacji polecam przeliczyć Qts na podstawie powyższego wzoru. Kilka razy zdarzyło mi się, że po przeliczeniu wynik był różny od katalogowego, co może oznaczać, że większość parametrów została bezmyślnie stworzona. B – indukcja magnetyczna w szczelinie. Parametr ten zależy od mocy magnesu i szerokości szczeliny, zakładając, że nasze nabiegunniki nie są przesycone (nabiegunniki nie stanowią wąskiego gardła dla strumienia magnetycznego).Energię magnesu liczymy jako iloczyn objętości (wymiarów fizycznych) i parametru określającego gęstość energii magnetycznej BH [kJ/m3]. Zwyczajowo przyjęło się, że duży magnes oznacza dobry mocny układ magnetyczny. W praktyce zdarza się, że duży magnes pełni rolę zbędnego ciężarka, gdy materiał, z którego został on wykonany, to magnes wątpliwej jakości. Obecnie coraz częściej stosuje się magnesy neodymowe, w których gęstość mocy może być nawet do kilkudziesięciu razy większa w porównaniu do tradycyjnych ferrytów. Pamiętajmy również, że B w szczelinie przy danej energii spada z kwadratem szerokości szczeliny. Zatem szczelina nie powinna w praktyce przekraczać 2 mm. Uwaga!Nieuczciwi producenci chwalą się dużymi magnesami w swoich konstrukcjach, ale poza wymiarami geometrycznymi i „nadwagą” nie przekłada się to na nic pozytywnego w parametrach – chodzi wyłącznie o chwyt marketingowy. Jeśli obok kiepskiego materiału magnetycznego w głośniku dla zwiększenia tolerancji montażowych zastosujemy szeroką szczelinę np. 3,5 mm, to efektywność zwykle nie przekracza 80 dB.Bl – [Tm] jest współczynnikiem określającym siłę, z jaką układ magnetyczny może przesuwać cewkę w szczelinie. Wartość Qts ma bezpośredni wpływ na reakcję impulsową głośnika oraz jego efektywność. Generalnie najlepsi producenci osiągają ten parametr w granicach 20 [Tm]. Za pomocą Bl można łatwo wyznaczyć siłę napędową:F = Bl x II – prąd płynący przez cewkę.Uwaga!Nieuczciwi producenci jako Bl podają iloczyn indukcji B oraz całej długości drutu przypadającej na cewkę – dzięki temu zabiegowi wartość Bl poprawia się nawet 2-3 krotnie. Re – rezystancja stałoprądowa cewki głośnika.L – indukcyjność cewki głośnika przy częstotliwości pobudzenia 1 kHz.Parametry mechaniczneSd – powierzchnia membrany, która przyczynia się do promieniowania dźwięku (powierzchnia membrany + powierzchnia połowy zawieszenia) podawana w cm2.Mms – masa układu drgającego (cewka, zawieszenia, membrana). Xmax – maksymalne wychylenie liniowe głośnika. Parametr ten wynika z wartości wysokości cewki i nabiegunnika górnego. Głośnik przetwarza liniowo wyłącznie dla wychyleń membrany do Xmax, ponieważ tylko wtedy mamy do czynienia z sytuacją, kiedy cewka znajduje się w całej szczelinie. Dla wychyleń powyżej Xmax kompresja mocy ma już znaczące wielkości – nawet 5 dB przy nominalnej mocy. Nasuwa się tu prosty wniosek: głośniki basowe, które w czasie pracy mają duże wychylenia, powinny mieć duże Xmax (powyżej 4 mm), muszą więc mieć wysoką cewkę, ale wtedy ich Bl spadnie, a co za tym idzie, spadnie ich efektywność. Tu pojawia się prawdziwy problem konstrukcyjny, a to dopiero początek.Uwaga!Na pierwszy rzut oka wydaje się, że głośnik duży (np. 15 cali) powinien z racji swej średnicy dobrze przenosić niskie tony. Nic bardziej błędnego! Bez znajomości Xmax i Fs nie jesteśmy w stanie stwierdzić, do czego dany głośnik jest przeznaczony.Parametry użytkoweXmech – jest to wychylenie niszczące głośnik mechanicznie. Efektywność – miara ciśnienia akustycznego, jaką uzyskamy w odległości jednego metra od głośnika, kiedy do głośnika doprowadzamy moc 1 VA (moc pozorna). Efektywność powinna być podana jako średnia efektywności w paśmie użytecznym lub jako wykres widma efektywności. W ogólnych przypadkach zależy nam na tym, by efektywność była możliwie najwyższa. Najlepsi uzyskują średnią efektywność w zakresie od 95 nawet do 101 dB/W.Uwaga!Nieuczciwi producenci podają jedynie efektywność w najwyższym punkcie charakterystyki, dzięki temu mają nawet 10 dB, którymi mogą się pochwalić za darmo. Pasmo przenoszenia głośnika (charakterystyka przenoszenia) – wykres efektywności w funkcji częstotliwości. Na tym wykresie widzimy, jak głośnik zachowuje się przy różnych częstotliwościach przetwarzania. Na jego podstawie możemy wyznaczyć zakres użyteczny, czyli taki, gdzie odchyłka od trendu krzywej znajduje się w granicach +/- 3 dB.Przykładowa charakterystyka głośnika 18 sound 15LW 1400: Dobre firmy w celu dopełnienia informacji na temat promieniowania ich głośników podają również charakterystykę widzianą pod kątem 45º.Uwaga!Rzeczywiste charakterystyki przenoszenia są dość poszarpane, dla tego nieuczciwi producenci podają jedynie bardzo uśrednione wyniki pomiarów, co bardzo utrudnia nam właściwą ocenę głośnika. Często zdarza się, że charakterystyka pomierzona przez nas ledwo przypomina katalogową. Pe – moc głośnika.Podam kilka wskazówek, dzięki którym będziemy sami w stanie ocenić przybliżoną moc; koniecznie musimy znać: ø – średnicę cewki głośnikowej (podaną w calach) oraz Xmax – maksymalne liniowe wychylenie głośnika (podane w milimetrach). Na potrzeby szacowania mocy opracowałem doświadczalnie następujący wzór, który pozwala określić moc głośnika z dokładnością +/- 30%, niezależnie od technologii wykonania:P = 8П x ø x Xmax [W rms aes]Uwaga!Wzór ten jest wyznaczony doświadczalnie i może nam służyć wyłącznie do demaskowania bardzo oczywistych oszustw. PodsumowanieMitów, bajek i kłamstw marketingowych na temat mocy głośników jest chyba najwięcej. Ja odsyłam czytelników do artykułu z poprzedniego numeru (Muzyka i Technologia 1/2006 – „Moc głośników”), gdzie zagadnienia zawiązane z głośnikami zostały dokładnie wyjaśnione.Pamiętajmy o tym, że nasza wiedza na temat samych głośników może stać się cenna i bardzo przydatna, gdy będziemy kupować zestawy głośnikowe. Tomasz MarekMateriał pochodzi z magazynu “Muzyka i Technologia”nr. luty/2006
Najnowsze wydanie
