Obudowy głośnikowe cz. III - tuby

Tuby to nieco rzadziej stosowane konstrukcje, ale na tyle popularne i ciekawe, że nie można ich pominąć w naszym cyklu. W systemach domowego audio stosowane są chętnie ze względu na wysoką sprawność. Niestety ich zwolennicy są w mniejszości a popularnym twierdzeniem ich wrogów jest teza, że są to przetworniki lepiej sprawdzające się w profesjonalnych systemach nagłośnieniowych.  

Idea tuby jako przyrządu akustycznego narodziła się kiedy ktoś przyłożył dłonie do ust, aby zwiększyć zasięg swojego głosu. Zauważmy, że taki gest jest właściwie odruchowy, a nie wyuczony. Robimy to bez zastanawiania się jak to działa. No to zastanówmy się jakie zjawiska fizyczne powodują zwiększenie zasięgu głosu w ten sposób. Pierwsze co przychodzi do głowy to to, że umieszczając dłonie na kształt tuby przed ustami po prostu ukierunkowujemy dźwięk w konkretną stronę. Można tak powiedzieć ale, żeby to lepiej zrozumieć powinniśmy bardziej zgłębić fizyczną stronę tego zagadnienia.

Kiedy mówimy dźwięk z naszych ust rozchodzi się we wszystkie strony ograniczony tylko kształtem naszej głowy. Czyli drgania naszych strun głosowych nie napotykają dużego oporu akustycznego ze strony otaczającego powietrza. Powietrze łatwo ustępuje we wszystkich kierunkach. Kiedy jednak umieścimy dłonie w kształcie tuby przed ustami ograniczamy rozchodzenie się dźwięku na boki. I w ten sposób powodujemy, że dźwięk napotyka jak gdyby na większy opór ze strony ograniczonej już objętości powietrza.

Powiecie właściwie to jest to samo wyjaśnienie co przedtem. Ale zwróćcie uwagę, że użyliśmy tu określenia opór akustyczny, który jest kluczową sprawą dla działania tuby. Opór ten zwany rezystancją akustyczną ma zasadnicze znaczenie dla sprawności przetwarzania wszelkiego rodzaju głośników. Wyobraźmy sobie, że znajdujemy się w nieważkości na przykład na stacji kosmicznej i jesteśmy zawieszeni pomiędzy ścianami. Jeśli teraz chcielibyśmy za pomocą rąk powiosłować sobie, aby dotrzeć do którejś ze ścian to niestety niewiele to da, gdyż powietrze nie stawia rękom wystarczającego oporu, aby skutecznie się od niego odpychać. Inaczej jest w wodzie, tam mamy wystarczające warunki, aby móc pływać. Dzieje się tak dlatego, ze woda stawia większy opór naszym rękom niż powietrze. Podobnie jest z membraną głośnika kiedy nie ma ona zapewnionego dużego oporu ze strony powietrza nazywamy go rezystancją akustyczną, sprawność jej przetwarzania jest niska. I taką sytuacje mamy w przypadku większości głośników otwartych, czyli takich bez tuby. Ich sprawność przetwarzania jest mała, wynosi zazwyczaj około jednego do kilku procent, czyli kiedy dostarczymy do głośnika moc elektryczną powiedzmy stu watów, moc akustyczna nie będzie większa niż kilka watów. Tuba daje nam szanse na wielokrotne zwiększenie sprawności głośników.

Na pewno wielu z was zna zasadę działania transformatora. Mówiąc w skrócie jest to element, który służy do podnoszenia lub obniżania napięcia przemiennego. Dobrym przykładem tutaj może być transformator głośnikowy we wzmacniaczu lampowym, który dopasowuje dużą rezystancję wyjściową lamp, do niskiej rezystancji a właściwie impedancji głośnika podłączonego do takiego wzmacniacza. Dlaczego o tym mówię? Otóż tuba akustyczna spełnia podobną funkcję do takiego transformatora, gdyż dopasowuje rezystancje akustyczną a właściwie jest to impedancja akustyczna powietrza do pożądanej wielkości dla membrany głośnika.

Jak to działa w praktyce? Membrana głośnika znajduje się przy wlocie tuby, tam gdzie ona jest cieńsza. Ponieważ wylot tuby ma dużo większą średnicę niż jej wlot przenosi ona jakby większą masę powietrza do jej wlotu powodując, że membrana głośnika ma dużo lepsze warunki pracy ze względu, że nie jest, że jest ona obciążona większą impedancją akustyczną powietrza. U wlotu tuby mającej małą objętość występuje duże ciśnienie natomiast prędkość objętości powietrza jest mała. Tuba przekształca to duże ciśnienie i małe prędkości objętościowe u wlotu w małe ciśnienie i duże prędkości objętości powietrza u wylotu tuby. Podobnie jak w transformatorze, który podwyższa napięcie kosztem natężenia lub odwrotnie. Zachodzi tutaj zatem proces transformacji impedancji akustycznej podobnie jak w opisywanym transformatorze głośnikowym. A skoro już membrana głośnika pracuje w warunkach dużej impedancji akustycznej sprawność przetwarzania głośnika tubowego, bo tak on się nazywa jest dużo większa i może wynosić nawet 30 do 40 procent. Przypominamy sobie, że dla głośnika otwartego bez tuby sprawność ta była ok. dziesięciokrotnie mniejsza i wynosiła kilka procent. Jak na razie same zalety. Głośniki tubowe na pewno wszyscy znają. Przykładem takiego głośnika może być tak zwany megafon, który wzmacnia głos. W istocie jest to zestaw mikrofon, wzmacniacz i głośnik tubowy. Mimo, że moc takiego wzmacniacza tam jest nie duża no bo musi być on zasilany z baterii, dzięki dużej sprawności głośnika tubowego wytwarzany dźwięk jest bardzo mocny. Ponieważ nasz cykl odcinków dotyczy obudów głośnikowych ograniczymy się do zastosowania tuby dla częstotliwości niskich i zastanowimy się czy w warunkach domowych użycie obudowy tubowej do sprzętu domowego ma jakikolwiek sens.

Tuba dla głośnika może mieć różną geometrię. Chodzi o sposób w jaki ona się rozszerza. Mamy zasadniczo 4 rodzaje tub. Są to jest to tuba hiperboliczna, wykładnicza, stożkowa i paraboliczna. Najczęściej stosuje się tuby wykładnicze, rzadziej stożkowe, natomiast tub hiperbolicznych i parabolicznych nie używa się prawie wcale. Na rysunku widzimy jak wyglądają kształty takich tub. Każdy kolor odpowiada oczywiście odpowiedniemu rodzajowi tuby. Narysujmy charakterystyki przetwarzania dla poszczególnych kształtów biorąc pod uwagę niskie częstotliwości  przetwarzania.

Widać, że tuba o kształcie parabolicznym - czyli ta czerwona - w ogóle nie nadaje się do przetwarzania basów, tuba stożkowa również prezentuje się dość słabo, to jest ten wykres czarny. Tuba hiperboliczna jest lepsza ten niebieski wykres, ale najlepsza jest tuba wykładnicza, czyli zielona linia ze względu na płaski przebieg charakterystyki, a także nieco niższą częstotliwość graniczną. Zatrzymajmy się przy tym na chwilę przy tym parametrze. Częstotliwość graniczna tuby to właściwie jej najniższa częstotliwość jaką ona może wytworzyć wraz ze współpracującym głośnikiem. Częstotliwość tą możemy łatwo wyznaczyć, gdyż długość fali dla niej równa się długości obwodu wylotu tuby na przykład dla 30 Hz obwód wylotu tuby musiałby wynieść około 11 metrów. Jeśli wylot takiej tuby byłby okrągły to jego średnica wynosiłaby ponad 3,5 metra a jej długość musiałaby wynieść ok. 5 metrów. Trudno byłoby przekonać rodzinę do zaakceptowania czegoś takiego w pokoju, nawet bardzo dużym i wysokim. Aby zmniejszyć jakość długość tuby można zastosować tuby złamane zwane także zwiniętymi. Kształtuje się w tym celu specjalnie załamany wielokrotnie kanał, który umożliwia zmniejszenie gabarytów obudowy tubowej. Niestety wielkość wylotu musi pozostać niezmieniona. Widzimy zatem, że obudowy tubowe, które mają za zadanie odtwarzanie niskich basów niestety mają ogromne wymiary. Jednak sprawność głośnika basowego w takiej obudowie jest bardzo dobra i może wynosić realnie nawet 30 do 40 procent. Oprócz tego tuba stwarza najlepsze warunki dla głośnika dzięki temu, że zwiększa obciążenie akustyczne membrany. Wpływa to na przetwarzanie basów przy bardzo niskich zniekształceniach. Taka obudowa jest najlepsza pod każdym względem, gdyby tylko nie te wiele wymiary i skomplikowana budowa. Trzeba pamiętać, że poniżej częstotliwości krytycznej dla tuby, głośnik nisko tonowy jest narażony na duże wychylenia tak jak w obudowie otwartej, dlatego stosuje się w takich obudowach głośniki raczej  na twardych zawieszeniach. Oczywiście większość z nas wie, że takie kolumny stosuje się często w estradowych instalacjach nagłośnieniowych i to właśnie dzięki nim czujemy na koncertach tak zwany estradowy bas. Mimo tych trudności osiągi takich obudów powodują, że zastosowanie obudowy tubowej jest kuszące nawet w warunkach domowych. Każdy by chciał poczuć trochę estradowego basu w swoim pokoju. Zastanówmy się czy jest możliwe zastosowanie takiej obudowy w domowych warunkach.

Pamiętamy jak obliczaliśmy konieczne wymiary wylotu tuby dla niskich częstotliwości. Jednak takie obliczenie dotyczy warunków przestrzeni otwartej. Pomieszczenie zamknięte a takie teraz rozważamy ma jednak ściany i podłogę, które powodują zwiększenie impedancji akustycznej i umożliwiają nam przyjęcie dwukrotnie mniejszego obwodu wylotu tuby. To już coś. Jeśli wstawimy tubę do rogu pomieszczenia, gdzie ściany i podłoga tworzą jakby przedłużenie wylotu tuby, to jej obwód możemy zmniejszyć do jednej szóstej. No, to już nieźle. Dla 30 Hz mieliśmy przedtem 11 metrów obwodu teraz mamy około 2 metrów. Co daje nam na przykład kwadrat o boku 50 centymetrów. Wchodzimy zatem do zakresu realnych wielkości. Obudowa tubowa w warunkach domowych jest zatem całkiem realna zwłaszcza kiedy zastosujemy tubę zwiniętą, niestety trudności konstrukcyjne jakie mogą nas spotkać przewyższają nawet skomplikowaną pod tym względem obudowę z linią transmisyjną.

Powstaje pytanie czy można kupić gotowe zestawy domowe z obudową tubową. Można. Typowym przykładem jest słynny Tannoy Westminster, Klipschorn czy zestawy Audiohorn. Te dwa pierwsze są produkowane bez większych zmian już od lat czterdziestych, dwudziestego wieku. Tannoy Westminster jest zestawem przeznaczonym do wstawienia do rogu pomieszczenia. Używa on tuby jako obudowy i ma piętnastocalowy głośnik typu dual concertin, czyli głośnik współosiowy.

Parę lat temu miałem okazję posłuchać tych zestawów i muszę powiedzieć, że powaliły mnie na kolana. Basy były wspaniałej jakości, mocne, przeszywające, niskie. Ogólnie brzmią one wspaniale, nie słyszałem niczego lepszego wśród zestawów do domowego audio. Cena Westminsterów jest również powalająca dwadzieścia trzy i pół tysiąca funtów za parę. Wymiary kolumn są dość spore.

Budowa zestawów tubowych w domu jest możliwa, ale ciężka do samodzielnego wykonania głównie ze względu na trudności konstrukcyjne. Obliczanie tub basowych jest również wykonalne, ale lepiej oprzeć się na jakiś gotowych, wypróbowanych konstrukcjach. Dobrze wykonana obudowa tubowa może wynagrodzić nam nasze wysiłki wspaniałym dynamicznych basem nawet kiedy podłączymy ją do wzmacniacza o mocy tylko dwa razy dziesięć watów. Zwłaszcza brzmienie perkusji jest bardzo realistyczne i pozbawione charakterystycznej kompresji dla tonów niskich. Podsumujmy zatem zalety i wady dla obudowy tubowej. Wady: wielkie wymiary tuby dla niskich częstotliwości, skomplikowana budowa. Zalety: bardzo wysoka sprawność około dziesięciokrotnie większa niż dla innych rodzajów obudów oraz niskie zniekształcenie dźwięku.