Obudowy głośnikowe cz. I - zagadnienie ogólne

Zapraszamy na pierwszy film z cyklu opowiadającego o różnicach w konstrukcjach obudów głośnikowych. W kolejnych filmach redaktorzy kanału Reduktor Szumu w wyczerpujący sposób opowiedzą o wszystkich popularnych a także tych rzadszych konstrukcjach głośnikowych jakie możemy spotkać na rynku. 

 Obudowy głośnikowe

Większość zestawów głośnikowych, jakie możemy spotkać składa się z obudowy, głośników, zwrotnicy, kabli połączeniowych, gniazd lub zacisków na przewody oraz elementów dekoracyjnych. Czasem, kiedy mamy pojedynczy głośnik, zestaw w ogóle może nie posiadać zwrotnicy, ale jakaś obudowa zawsze jest obecna.

Po co właściwe jest potrzebna obudowa dla głośnika? Czy pełni ona tylko funkcję zamocowania głośników, funkcje czysto estetyczne, czy może rola jej jest poważniejsza? Czy obudowa głośnikowa wpływa na jakość dźwięku? Tym zagadnieniem zajmiemy się właśnie w kilku kolejnych odcinkach poświęconych obudowom głośnikowym. Jako, że temat jest bardzo obszerny, podzielimy go na kilka części i spróbujemy w nich omówić kolejne odmiany obudów głośnikowych.

Wiedza na ten temat przyda się na pewno tym z was, którzy chcą samodzielnie budować zestawy głośnikowe lub subwoofery. Zawsze lepiej znać podstawy działania czegoś co właśnie tworzymy. Postaramy się nie zniechęcić początkujących zawiłymi wzorami i wykresami, a jednocześnie nie zanudzić tych, którzy orientują się nieco bardziej w tym temacie. W tym odcinku postaramy się odpowiedzieć na wcześniej zadane pytanie: po co właściwie stosuje się obudowy głośnikowe?

Wyobraźmy sobie, że mamy głośnik niskotonowy bez obudowy. Podłączamy do niego sygnał np. muzyki. Można usłyszeć, że taki głośnik bardzo słabo odtwarza niskie częstotliwości, chociaż dosyć wyraźnie widzimy jego dość duże wychylenia membrany przy odtwarzaniu basów. Głośnik jak gdyby próbuje odtwarzać niskie tony, ale nie są one właściwie słyszalne. Dlaczego tak się dzieje? Winne jest temu tzw. zwarcie akustyczne. Bez obudowy przednia strona membrany spręża przed sobą powietrze i przepompowuje je na tylną jej stronę, ponieważ niskie tony rozchodzą się koliście. A ponieważ średnica membrany jest bardzo mała w porównaniu z długością fali dla niskich częstotliwości, następuje wyrównanie ciśnień i membrana praktycznie nie promieniuje w ogóle dźwięku. Można by zatem wysnuć tezę, że głośnik niezabudowany nie powinien właściwie w ogóle emitować dźwięku. Tak byłoby gdyby prędkość dźwięku była nieskończona. Ponieważ jednak tak nie jest, zjawisko całkowitego znoszenia się fal emitowanych przez przednią i tylną powierzchnię membrany głośnika, występuje tylko wtedy gdy ruch membrany jest na tyle wolny, że fala akustyczna nadąża przesunąć się zza głośnika wokół jego krawędzi przed membranę - czyli tylko w zakresie częstotliwości niskich. Dla częstotliwości średnich i wysokich sytuacja jest już inna, bo długość fali jest już porównywalna ze średnicą membrany, ale właściwie nie ma to już większego znaczenia, gdyż głośnik niskotonowy nie jest przeznaczony do odtwarzania sopranów. Widzimy zatem, że problem dotyczy raczej częstotliwości niskich. Aby zapobiec zjawisku akustycznego zwarcia należy w jakiś sposób rozdzielić akustycznie przednią i tylną stronę membrany.

Rozdzielanie przedniej i tylnej strony membrany głośnika robi się po to, aby droga dla dźwięku pomiędzy nimi była jak najdłuższa i aby tym samym zapobiec opisywanemu wcześniej zjawisku zwarcia akustycznego. Najlepszą metoda takiego rozdzielenia jest idea nieskończenie wielkiej odgrody. Jest to oczywiście całkowicie teoretyczne założenie, bo w rzeczywistości stworzenie czegoś takiego jest raczej niemożliwe, a na pewno bardzo trudne.

Wyobraźmy sobie, że nasz głośnik mocujemy w otworze wyciętym w płycie, której wymiary są nieskończone tzn. płyta ta rozpościera się we wszystkie strony w nieskończoność - oczywiście teoretycznie. W ten sposób oddzieliliśmy skutecznie dwie strony membrany od siebie. W tym miejscu powinniśmy poznać pojęcie tzw. rezystancji promieniowania. Rezystancja ta jest oporem jaki stawia ośrodek - w naszym przypadku jest to powietrze - w grającej membranie. Właściwie jest to składowa rzeczywista impedancji promieniowania. Opór ten jest potrzebny, ponieważ membrana musi się mieć jakby o co opierać, aby promieniować dźwięk. Im rezystancja promieniowania jest większa, tym lepiej, bo głośnik przetwarza drgania membrany w dźwięk bardziej wydajny. I właśnie rezystancja zależy między innymi od tego czy i w jakiej obudowie, czy odgrodzie pracuje membrana głośnika. Do pracy bez jakiejkolwiek obudowy rezystancję możemy obliczyć ze wzoru:

Rp= α x f⁴ x s²

gdzie: Rp to oczywiście jest rezystancja promieniowania α jest to stała ośrodka, w zależności od tego w jakim ośrodku pracuje membrana, u nas jest to oczywiście powietrze f jest to częstotliwość s jest powierzchnią membrany głośnika.

Natomiast dla pracy głośnika w nieskończenie wielkiej odgrodzie, teoretycznie oczywiście, rezystancja promieniowania = α, natomiast f nie jest w 4. potędze jak było tutaj, tylko w 2. potędze i tak samo jak przedtem mamy powierzchnię membrany do kwadratu. Widzimy, że w pierwszym wzorze rezystancja jest proporcjonalna do częstotliwości aż w 4. potędze, a w przypadku pracy w odgrodzie – tylko w  kwadracie. Rola odgrody akustycznej dla pracy głośnika przy niskich częstotliwościach jest więc ogromna. Oczywiście nie można w praktyce zrealizować idei nieskończenie wielkiej odgrody. Pewnym przybliżeniem mogłoby być wbudowanie głośnika w ścianę pokoju, tak aby tylna strona membrany promieniowała w otwartą przestrzeń, ale to również jest ze względów praktycznych prawie niemożliwe. Dlatego stosuje się obudowy głośnikowe, które realizują w przybliżeniu oddzielenie obu stron membrany i pozwalają na skuteczne odtwarzanie basów.

Istnieje wiele rodzajów obudów głośnikowych. Jedne realizują ideę odgrody, inne dodatkowo wykorzystują pewne właściwości rezonansowe zestawu głośnik-obudowa. Wszystkie one są jednak stosowane po to, aby głośniki niskotonowe efektywnie przetwarzały swój zakres częstotliwości akustycznych. W kolejnych odcinkach postaramy się omówić poszczególne rodzaje obudów. Będą to obudowy otwarte, obudowy zamknięte, obudowy bas, refleks i ich odmiany. Obudowy typu linia transmisyjna, obudowy tubowe oraz obudowy pasmowo-przepustowe. Oczywiście istnieją także inne rodzaje obudów, ale są one tylko rozwinięciami lub odmianami wymienionych.

Do początku lat 70. XX wieku obudowy głośnikowe budowano na podstawie prostych wzorów uwzględniających głównie średnicę membrany głośnika oraz jego częstotliwość rezonansową. Przy okazji wyjaśnijmy ten bardzo podstawowy parametr głośnika. Częstotliwość rezonansowa jest to częstotliwość, przy której sztywność elementów zawieszenia membrany głośnika równoważy ich masę. Na pewno wiedzieliście nie raz wiszące pranie na sznurkach. Czasem w trakcie dość silnych powiewów wiatru potrafi ona łopotać na wietrze. To zjawisko to właśnie jest rezonans - kiedy częstotliwość drgań własnych materiału zgra się z prędkością wiatru. Tak samo w przypadku głośnika – przy pewnej częstotliwości następuje rezonans elementów drgających. Częstotliwość ta jest określana dla głośnika bez obudowy. Zależy ona od masy elementów drgających, czyli membrany i zawieszeń oraz od ich sztywności. Mówiąc inaczej od ich podatności. Wyrażamy ją oczywiście w Hz. Tyle na temat rezonansu głośnika. A wracając do tematu obliczania obudów głośnikowych – dawniej robiło się to na tzw. „czuja”, czyli opierając się na prostych wzorach i doświadczeniu konstruktorów. Oczywiście poważne firmy produkujące zestawy głośnikowe już wtedy dysponowały aparaturą pomiarową, która pozwalała na weryfikację tych szacunkowych obliczeń. Niestety ówcześni amatorzy własnych konstrukcji takich możliwości już nie mieli. W latach 70-tych A.N. Thiel i R.H. Small dwaj australijscy naukowcy opublikowali pracę naukową na temat parametrów głośników dynamicznych. Opracowali oni zestawienie parametrów opisujących zachowanie się głośnika w zakresie niskich częstotliwości i jego relacje z obudową. Parametry te nazywamy parametrami Thiele'a-Small'a, w skrócie TS. Udostępnili oni również szereg wzorów służących do ułatwienia obliczania obudów głośnikowych: zarówno dla producentów jak i amatorów własnych konstrukcji.

Wymienię trzy parametry TS głośnika, które są absolutnym minimum potrzebnym do zaprojektowania obudowy dla niego. Są to: wspomniana już wcześniej częstotliwość rezonansowa głośnika oznaczona literką fs, dobroć całkowita głośnika oznaczona jako Qts oraz objętość ekwiwalentna oznaczona jako Vas. Nie będę tutaj omawiał szczegółowo tych parametrów. Ważne jest, że znając wartość tych trzech, możemy łatwo zacząć projektowanie obudowy dla konkretnego głośnika, którego parametry TS znamy. Parametry te podają producenci głośnika, dodatkowo podawane są również zazwyczaj inne, bardziej szczegółowe wielkości, takie np. jak masa układu drgającego, czy maksymalne liniowe wychylenie membrany głośnika. Te dodatkowe parametry ułatwiają jeszcze bardziej projektowanie obudowy dla głośnika. A co zrobić kiedy mamy jakiś głośnik i nie znamy jego parametrów TS? Wtedy należałoby je zmierzyć, ale dla przeciętnego użytkownika byłby to bardzo trudne, jeśli nie niemożliwe. Zatem raczej należy unikać głośników, których parametry TS są nieznane. Ci z was, którzy bliżej chcą zapoznać się z tematyką parametrów Thiele'a-Small'a mogą znaleźć wiele artykułów na ten temat zarówno w literaturze jak i na stronach internetowych. My również będziemy zapewne wracać do tego tematu przy okazji omawiania różnych rodzajów obudów głośnikowych. W kolejnym odcinku z tej serii opowiemy wam o obudowach głośnikowych otwartych.