Kurs_V10.pdf

K U R S

Niezbędnik dla amatorów i profesjonalistów

W głośnikowym żywiole, część 10

Obudowy bass-reflex, część 2

Przedstawiamy drugą część artykułu poświęconego obudowom

bas-relex. Autor zajął się w niej przede wszystkim zjawiskami

falowymi, jakie występują w obudowach tego typu.

ponadto zwiększenie stromości zbocza

pogarsza charakterystyki impulsowe.

Lepszym sposobem jest iltrowanie

aktywne, stosowane w subwooferach

aktywnych – tam, ze względu na

charakter sygnału, niosącego bardzo

silne impulsy bardzo niskich często-

tliwości, jest ono konieczne. Jednak

w większości zespołów głośnikowych

iltrowanie „subsoniczne” nie jest

stosowane. Bezpieczeństwo głośnika

możemy starać się poprawić poprzez

odpowiednią pozycję częstotliwości

rezonansowej obudowy – nie za wy-

soką, aby nie pozostawić zbyt dużego

niebezpiecznego zakresu poniżej, ani

też nie za niską – aby nie pozbawić

głośnika odciążania w użytecznym

zakresie. Niestety, przy ustalaniu czę-

stotliwości rezonansowej nie możemy

kierować się przede wszystkim tym

aspektem – musimy również dbać

o charakterystykę impulsową i cha-

rakterystykę przetwarzania.

Zanim jednak zaczniemy się tej

sztuki uczyć, dokończmy opis dzia-

łania bas-releksu. Nie wytłumaczy-

liśmy jeszcze, co się dzieje powyżej

częstotliwości rezonansowej. Układ

rezonansowy obudowy przestaje dzia-

łać, promieniowanie otworu maleje.

Należy na to zwrócić uwagę – o ile

przy zejściu poniżej częstotliwości

rezonansowej obudowy otwór nadal

promieniował (w fazie niemal prze-

ciwnej do przedniej strony membra-

ny, co powodowało znoszenie się

ciśnień), to przejście powyżej czę-

stotliwości rezonansowej powoduje

„zamykanie” się otworu na fale po-

wstające w obudowie – układ rezo-

nansowy obudowy ma sam w sobie

właściwość iltru dolnoprzepustowego

drugiego rzędu (12dB/okt.), nie prze-

nosi na zewnątrz częstotliwości wyż-

szych od częstotliwości rezonansowej,

a niższe tak. Kształt charakterystyki

ciśnienia z otworu przypomina jed-

nak działanie iltru pasmowo-przepu-

stowego, mając podobnie nachylone

zbocza poniżej i powyżej częstotliwo-

ści rezonansowej, ponieważ poniżej

częstotliwości rezonansowej ciśnienie

Zjawiska fazowe

– w nich tkwi tajemnica

Do możliwie niskiego strojenia

skłania pewne przykre zjawisko

– poniżej częstotliwości rezonansowej

obudowy, charakterystyka przetwarza-

nia zaczyna szybko opadać, jej na-

chylenie dąży do 24dB/okt. Dokładny

kształt charakterystyki zależy jednak

od konkretnego głośnika i sposobu

strojenia, czasami w okolicy częstotli-

wości rezonansowej widać gwałtowne

załamanie charakterystyki („kolano”),

albo tylko delikatne zaokrąglenie,

a charakterystyka zwiększa stromość

powoli. Faktem jest jednak, że o ile

w zakresie częstotliwości rezonanso-

wej obudowy i powyżej system bas-

releks zapewni wyżej leżącą charak-

terystykę przetwarzania w porówna-

niu do tego samego głośnika w takiej

samej wielkości obudowy zamkniętej,

to niedaleko poniżej częstotliwości

rezonansowej charakterystyka systemu

bas-releks spadnie poniżej poziomu

z systemu zamkniętego. Mówimy tu-

taj o charakterystyce wypadkowej ca-

łego systemu bas-releks, czyli sumy

ciśnień z głośnika i otworu. Dlaczego

tak się dzieje? Mierząc charaktery-

stykę z samego głośnika, lub cha-

rakterystykę z samego otworu, wcale

nie stwierdzilibyśmy takiej różnicy

na niekorzyść bas-releksu. Jednak

poniżej częstotliwości rezonansowej

obudowy, układ zachowuje się tak,

jak tego obawialiśmy się na samym

początku opisu bas-releksu – otwór

promieniuje ciśnienie przeniesione

jakby bezpośrednio od tylnej strony

membrany, czyli pozostające w prze-

ciwfazie do promieniowania przedniej

strony membrany. Efekt ten nie nastę-

puje skokowo, stąd ciśnienie wypadko-

we nie przyjmuje gwałtownie wartości

zerowej. Po pierwsze, charakterystyka

ciśnienia z głośnika musi najpierw

„wyjść z dołka”, w jakim była przy

częstotliwości rezonansowej obudowy.

Po drugie, przy częstotliwości rezonan-

sowej obudowy, przesunięcie fazowe

między promieniowaniem przedniej

strony membrany (bardzo niewielkim)

a promieniowaniem otworu wynosi

90 o . Wraz z opuszczaniem rejonu czę-

stotliwości rezonansowej w kierunku

częstotliwości niższych, przesunięcie

to szybko się zwiększa, dążąc do nie-

korzystnej wartości 180 o , ale nie osią-

ga takiej wartości natychmiast.

Inny problem leżący w zakresie

poniżej częstotliwości rezonanso-

wej dotyczy wytrzymałości głośnika.

O ile w zakresie częstotliwości re-

zonansowej obudowy cieszyliśmy się

z radykalnego odciążenia głośnika od

dużych amplitud, i tutaj system bas-

releks miał przewagę nad obudową

zamkniętą, która takiego zjawiska

przecież nie wywołuje, to daleko

poniżej częstotliwości rezonansowej,

głośnik w obudowie z otworem

w ogóle „nie widzi” obudowy, i za-

chowuje się tak, jakby był swobodnie

zawieszony – czyli jest narażony na

największe możliwe amplitudy. Co

szczególnie przykre, są one zupełnie

bezproduktywne, z powodu znoszenia

się ciśnień z głośnika i z otworu.

Niektórzy konstruktorzy (zwłaszcza

niemieccy producenci), stosują tutaj

rozwiązania radykalne – iltrowanie

(bierne) górno przepustowe głośnika

niskotonowego, ustawione tak, że

tłumione są częstotliwości niższe od

efektywnie przetwarzanych, a więc

leżące poniżej częstotliwości rezo-

nansowej obudowy. Sposób ten ma

jednak swoje wady – iltrowanie

bierne reaguje z silnie zmieniającą

się w zakresie niskich częstotliwości

impedancją (chyba, że została zline-

aryzowana dodatkowymi obwodami),

i kształt charakterystyki iltru daleko

odbiega od założonych 6 czy 12dB/

okt., ingerując w pasmo użyteczne,

Elektronika Praktyczna 8/2004

K U R S

z otworu jest odpowiedzią na cha-

rakterystykę głośnika, która... opada

z nachyleniem bliskim 12dB/okt (na-

chylenie charakterystyki wypadkowej

dążące do 24dB/okt. powstaje w efek-

cie odejmowania się promieniowania

przedniej strony membrany i otworu).

Wracając do zakresu powyżej często-

tliwości rezonansowej – otwór prze-

staje promieniować, ale szybko wraca

do gry sam głośnik. Niedaleko powy-

żej częstotliwości rezonansowej krzy-

we charakterystyk głośnika i otworu

przecinają się. W okolicach tego

przecięcia fazy fal promieniowanych

przez głośnik i otwór zbliżają się

do siebie – przy częstotliwości rezo-

nansowej przesunięcie wynosiło 90 o ,

wraz ze wzrostem częstotliwości dalej

się zmniejsza. Oznacza to, że głośnik

i otwór efektywnie współpracują.

Właśnie w tym zakresie, a nie przy

częstotliwości rezonansowej obudowy,

najczęściej występuje wzmocnienie

charakterystyki wypadkowej. Wraz

z dalszym wzrostem częstotliwości

głośnik przejmuje główną rolę, i cha-

rakterystyka wypadkowa zbliża się do

jego własnej charakterystyki.

Takie są podstawowe fakty doty-

czące działania głośnika w obudowie

z otworem. Opisane zjawiska będą

zachodziły zarówno przy układach

dostrojonych prawidłowo, jak i nie-

prawidłowo. Na czym ma więc pole-

gać dostrojenie prawidłowe?

Rys. 43. Charakterystyki przetwarzania układu bas-refleks a) w sprzężeniu

z charakterystyką przesunięcia fazowego między promieniowaniem głośnika

a otworu b)

Recepty wczorajsze i dzisiejsze

Najdawniejsza recepta, jeszcze

z epoki przed Thielem-Smallem, su-

gerowała dostrojenie obudowy bas-re-

leks do częstotliwości rezonansowej

głośnika swobodnie zawieszonego

(f s ), co miało przynosić największą

korzyść z efektu odciążenia głośnika

od dużych amplitud w tym zakresie.

Jednak przy częstotliwości rezonanso-

wej głośnik wcale nie musi osiągać

największej amplitudy – zwykle wcale

nie maleje ona poniżej częstotliwości

rezonansowej, a nawet jeszcze wzra-

sta; dokładny kształt charakterystyki

wychylenia w funkcji częstotliwości

zależy od dobroci układu rezonan-

sowego głośnika. Reguła ta jednak

przestała obowiązywać wraz z analizą

charakterystyk przetwarzania opartych

już na znajomości parametrów Thiele-

’a-Smalla. Okazało się, że dla najlep-

szego przy danym głośniku strojenia

częstotliwość rezonansowa obudowy

fb wcale nie musi być równa czę-

stotliwości rezonansowej fs głośnika

swobodnie zawieszonego. Wiele kon-

strukcji jeszcze nie wykorzystujących

teorii Thiele’a – Smalla mogło być

poprawnych, ale ich strojenie odby-

wało się głównie metodą prób i błę-

dów. Metoda taka do dzisiaj ma rację

bytu i jest godna polecenia, ale nie

jako jedyna, zwłaszcza na samym po-

czątku prac projektowych, a tym bar-

dziej na etapie wyboru głośnika do

obudowy o mniej-więcej określonej

wielkości; niektóre głośniki ze wzglę-

du na parametry T-S w ogóle nie po-

winny być stosowane w obudowach

bas-releks, o ile chcemy uzyskać

poprawne charakterystyki.

Współczesne „akademickie” meto-

dy projektowania obudów bas-releks

polegają na wyborze jednego z kilku-

nastu (w praktyce popularnych jest

kilka) modeli strojenia, spośród tych,

które są możliwe do zastosowania

dla głośnika o danej wartości Q ts .

Pamiętajmy, że wartość Q ts głośnika

„luzem” powinniśmy skorygować ze

względu na rezystancję szeregową,

jaka pojawi się np. w cewce iltru

dolnoprzepustowego zwrotnicy, czy

okablowaniu, podnosząc wartość Q es ,

a wskutek tego i Q ts , przeciętnie

o kilkanaście procent. Zignorowanie

tego zjawiska przy projektowaniu

obudowy zamkniętej prowadzi tylko

do proporcjonalnego podniesienia

wartości końcowej dobroci układu

Q tc , ale w przypadku obudowy bas-

releks skutki są znacznie poważniej-

sze, następuje „rozstrojenie” układu,

którego efektem może być przede

wszystkim znaczne pogorszenie od-

powiedzi impulsowej.

Q ts parametrem kluczowym

Krytycznym parametrem dla wy-

boru głośnika do konstrukcji bas-re-

leks i następnie dla wyboru sposobu

strojenia jest więc dobroć Q ts . Bez

jej znajomości nie mamy szans na

prawidłowe zaprojektowanie obudowy

z otworem. Wszelkie nawet subiek-

tywnie zadowalające rezultaty uzyska-

ne po omacku będą zapewne dalekie

od najlepszych, jakie z danym głośni-

Elektronika Praktyczna 8/2004

K U R S

kiem można by uzyskać korzystając

ze znajomości Q ts . Że metoda nawet

bardzo żmudnych prób i błędów tu-

taj nie pomoże, niech udowodni jed-

no retoryczne pytanie – o ile często-

tliwość rezonansową obudowy można

zmieniać jeszcze dość łatwo, zmienia-

jąc długość tunelu, to kto zdecyduje

się wykonać szereg obudów o róż-

nej objętości? Objętość i wynikająca

z niej podatność również wpływają

na częstotliwość rezonansową obudo-

wy, ale nie o to chodzi – optymalny

sposób strojenia zakłada określoną

objętość obudowy niezależnie od

częstotliwości rezonansowej układu.

Inaczej mówiąc, chociaż obudowy

o najróżniejszych objętościach można

dostroić do tej samej częstotliwości

rezonansowej (mniejszą podatność

można skompensować większą masą

drgającą), to charakterystyki każdej

z nich będą zupełnie inne.

Zbiór teoretycznie prawidłowych

modeli można podzielić na dwie

grupy – zapewniających charaktery-

styki przetwarzania nie wykazujące

podbicia (tzw. płaskie), i dopuszcza-

jących do „kontrolowanych” nierów-

nomierności. Wraz ze „spokojniejszą”

charakterystyką przetwarzania, otrzy-

mujemy zwykle lepsze charakte-

rystyki impulsowe, ale stosowanie

modeli „płaskich” jest możliwe tylko

dla głośników o wartościach Q ts niż-

szych od ok. 0,4 (dokładna granica

jest różna dla różnych modeli stro-

jenia). Następnie modele te płynnie

przechodzą w modele będące ich

rozwinięciami dla głośników o wyż-

szych wartościach Q ts , a uzyskiwana

teraz charakterystyka przetwarzania

zaczyna wykazywać różnego rodzaju

nierównomierności. Wraz ze wzro-

stem Q ts , jesteśmy skazani na coraz

większe nierównomierności, i na

coraz gorsze odpowiedzi impulso-

we. Chociaż teoretyczne modele nie

ograniczają nam możliwości zapro-

jektowania bas-releksu z głośnikiem

o niemal dowolnie wysokiej wartości

Q ts , to w praktyce warto przestrzegać

następujących reguł:

– jeżeli naszym priorytetem są wła-

ściwości impulsowe, a nie rozcią-

gnięcie charakterystyki przetwarza-

nia, stosujmy głośniki o wartości

Q ts nie wyższej od 0,3,

– jeżeli zadowalają nas relatywnie

dobre charakterystyki impulsowe,

stosujmy głośniki o wartości Q ts

nie wyższej od. 0,4,

– decydując się na głośniki o war-

tości Q ts większej od 0,4, musimy

być przygotowani na kompromisy

w dziedzinie charakterystyk im-

pulsowych, ale do wartości 0,5 są

one akceptowalne pod warunkiem

starannego dostrojenia obudowy.

Należy podkreślić, że wybór gło-

śnika o niskim Q ts jest pierwszym,

ale nie jedynym warunkiem uzyska-

nia dobrych charakterystyk impulso-

wych. Stosując głośnik z niskim Q ts

w niewłaściwy sposób narażamy się

na gorsze charakterystyki, niż z gło-

śnikiem o wyższym Q ts , ale w umie-

jętnie dostrojonej obudowie.

Ponadto, niestety coś za coś – tak

jak w przypadku obudów zamknię-

tych, również w bas-releksach wyż-

sze wartości Q ts ułatwiają osiąganie

niższych częstotliwości granicznych

na charakterystykach przetwarzania,

bowiem i tutaj o „rozciągnięciu” cha-

rakterystyki decyduje współczynnik

EBP, czyli iloraz częstotliwości re-

zonansowej f s i dobroci Q ts . Głośnik

doskonały do bas-releksu zarówno

pod względem możliwości uzyskania

najlepszych charakterystyk impulso-

wych, jak i przetwarzania, powinien

mieć małą wartość Q ts , ale wraz

z tym bardzo niską częstotliwość

rezonansową, tak aby współczynnik

EBP nie był wyższy od 100. Z dru-

giej strony, dla głośników o współ-

czynniku EBP wyższym od 100,

obudowa bas-releks jest w zasadzie

jedynym sensownym sposobem zasto-

sowania, gdyż w obudowie zamknię-

tej ich bas będzie jeszcze słabszy.

Stąd też wskazywanie, że głośniki

o współczynniku EBP wyższym od

100 dedykowane są do bas-releksów

nie oznacza automatycznie, że takie

właśnie są do bas-releksów lepsze

niż te, które mają EBP np. o warto-

ści 50 – chodzi tylko o to, że przy

wysokim EBP bas-releks jest ratun-

kiem dla charakterystyki przetwarza-

nia – o ile zależy nam na możliwie

niskiej częstotliwości granicznej.

Z kolei głośnik o współczynniku

EBP = 50 i dobroci Q ts =0,3 oznacza

natychmiast, że jego częstotliwość

rezonansowa f s musi wynosić 15 Hz

– możemy sobie takiego głośnika

życzyć, ale spotkać go nie będzie

łatwo. A nawet jeżeli się zdarzy,

warto od razu sprawdzić inne jego

parametry – czy efektywność nie jest

śmiesznie niska, albo wychylenie li-

niowe powodujące, że już ułamek

mocy znamionowej spowoduje jego

przesterowanie przy najniższych czę-

stotliwościach...

Andrzej Kisiel

Elektronika Praktyczna 8/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: