• Pasywne zwrotnice częstotliwościowe

    Budując zestaw głośnikowy stajemy przed problemem zbudowania skutecznej i akustycznie niezauważalnej zwrotnicy częstotliwościowej. Rozpatrując głośnik jako punktowe źródło dźwięku, najlepszym rozwiązaniem byłby układ współosiowy lub inny rodzaj idealnego przetwornika szerokopasmowego. Taki głośnik pozbawiony jest przesunięć fazowych, środek pozornego promieniowania akustycznego zawsze wypada w tym samym miejscu. W praktyce tańszym technologicznie rozwiązaniem jest układ wielodrożny (zespół dobranych do siebie głośników) pokrywający wymagane pasmo częstotliwości akustycznych. Najlepszą zwrotnicą pasywną jest jej brak, zatem realizując swój projekt musimy wybrać mniejsze zło . Im mniej elementów zwrotnicy które są wybitnie nieliniowe (kondensatory i cewki) tym lepiej ale nie może być ich mniej niż to konieczne dla prawidłowej pracy zespołu. Zwrotnica rozdziela sygnał akustyczny na pasma w których wyspecjalizowane przetworniki radzą sobie najlepiej, oraz wprowadza określoną korekcję przebiegów charakterystyk głośników. Dodatkowo zostaje rozdzielony poziom energii, która częściowo zostaje wytracona w elementach zwrotnicy. Trzeba pamiętać że moce podawane na głośnikach średnio i wysoko tonowych mają zorientować konstruktora do jakich zestawów są przeznaczone, a tak naprawdę przenoszą zupełnie inną (mniejszą moc).

    Należy wybrać pewien kompromis tak aby wnoszone zmiany nie były słyszalne ale także pozwoliły uzyskać czytelny i nie zniekształcony sygnał w całym paśmie przetwarzania zespołu. Dodatkowymi elementami zwrotnic są rezystory lub regulatory współbieżne oraz układy zabezpieczeń. Wybór najlepszego wariantu zależy w dużym stopniu od stosowanych głośników a zwrotnica wymaga poświęcenia sporej uwagi oraz poznania parametrów samych głośników. Nie wgłębiając się w elektrotechnikę , należy zwrócić uwagę na to aby elementy zwrotnicy były możliwie najlepszej jakości. Kondensatory blokowe lub foliowe bipolarne na napięcia 100V wzwyż, cewki powietrzne z grubego drutu nawojowego (najlepszy drut ma przekrój kwadratu) , cewki z rdzeniami o takiej histerezie aby nie nasycały się, rezystory o mocy roboczej co najmniej 5W (najczęściej stosuje się 10-15W). Najczęstszym błędem jest stosowanie kondensatorów elektrolitycznych unipolarnych (o ukierunkowanej biegunowości podłączenia) . W wypadku konieczności użycia dużej pojemności można używać takich kondensatorów połączonych szeregowo przeciwsobnie i zbocznikowanych kondensatorem zwykłym.


    Układ taki ma pojemność wypadkową w przybliżeniu równy połowie pojemności składowego kondensatora elektrolitycznego, którą najlepiej potwierdzić pomiarem. Obecnie produkuje się kondensatory elektrolityczne bipolarne które są zintegrowanym układem na podobnych zasadach. Kolejnymi błędami są niewłaściwe dobieranie mocy poszczególnych elementów i przekrojów drutu nawojowego, jak i optymalnych średnic cewek (karkasów). Zwrotnicę najlepiej jest montować na płytce drukowanej, wykonanej dostępnymi metodami (wytrawianie, nacinanie, laminaty, mozaiki uniwersalne). Połączenia należy lutować a duże elementy dodatkowo przyklejać lub mocować obejmami.


    zwrotnica ProAc Response D25


    Zintegrowany terminal

    Płytkę z elementami i przylutowanymi przewodami trzeba dobrze przymocować do ścian obudowy (przykręcić śrubami nie zapominając o podkładkach dystansowych niwelujących naprężenia wewnętrzne. Innym sposobem mocowania płytki drukowanej jest wykorzystanie specjalnych terminali z gniazdami przyłączeniowymi
    W modelowaniu i rozpatrywaniu teoretycznym impedancję głośników traktuje się jako rezystancję (czyli jeśli do czynienia mamy z głośnikiem o deklarowanej impedancji 4 Ohm to taką wartość przyjmuje się we wstępnym projektowaniu i obliczeniach mimo że czysta rezystancja cewki tego głośnika ma inną wartość) .
    Zacznijmy dzielić pasmo na poszczególne zakresy tak aby nie powstawały górki ani zagłębienia na charakterystyce zestawu. Okazuje się że trzeba się trzymać zasady że przy częstotliwości podziału sygnał obu pasm musi wykazywać spadek –3dB. Dlatego właśnie częstotliwość podziału przyjmuje się w najkorzystniejszym punkcie a tak naprawdę filtry zwrotnicy zaczynają i kończą swe działanie w trochę innych miejscach. Najprostszą zwrotnicą 6 dB/okt (tzn poziom sygnału spada o 6 dB w przedziale oktawy częstotliwości jak widać na wykresie ) jest cewka stanowiąca filtr dolnoprzepustowy i kondensator w gałęzi wysokotonowej. Przy częst. równej Fp przesunięcie fazowe wynosi około 90st. Głośniki powinny być przyłączone tak aby ich membrany poruszały się w fazie zgodnej (oznaczenia + - na rysunku)


    Bardziej strome zbocza ma zwrotnica 12dB/okt, co pozwala inaczej wykorzystać pasmo najlepszej pracy głośników. lecz niestety wymaga większej liczby elementów co komplikuje układ pod względem zachowania fazowego. Zwrotnica 12dB/okt wnosi dwa razy większe zniekształcenia fazowe wskutek tego przy Fp mamy do czynienia z przesunięciem 180st. Należy zatem odwrócić biegunowość głośnika wysokotonowego żeby nie powstała górka ani dołek na charakterystyce zestawu.


    Ponieważ dąży się do tego aby przy częstotliwości podziału membrany głośników pracowały w tej samej fazie, wystąpiłoby w tym zakresie podbicie sygnału i dlatego stosuje się praktycznie spadek –6dB przy Fp co zabezpiecza przed większością błędów.
    Jeśli chcesz szczegółowiej dowiedzieć się dlaczego tak jest wejdź do Prostym i skutecznym zabiegiem jest umieszczenie częstotliwości granicznych w pewnym oddaleniu od siebie np., dla Fp 1000Hz filtr dolnoprzepustowy 900Hz a górnoprzepustowy 1100 Hz. Do zniekształceń fazowych wnoszonych przez elementy zwrotnicy, dochodzą charakterystyki fazowe samych głośników które najlepiej otrzymać od producenta lub zmierzyć w projektowanej obudowie bez zwrotnic, i co należy uwzględnić przy realizacji praktycznej. Niektóre typy głośników światowych producentów są wyposażone w korektor fazy np., nieruchomy, profilowany stożek zamiast ochronnej kopułki przeciwpyłowej dodatkowo będący radiatorem dla układu magnetycznego, lub elementy osłony kopułki wysokotonowej.
    Samą częstotliwość podziału i stromość zboczy filtru wybiera się tak aby każdy głośnik pracował w bezpiecznym i liniowym obszarze swojej charakterystyki. Nie zaleca się podziału w zakresie największej czułości ludzkiego słuchu, czyli koło 3kHz, W praktyce jednak okazuje się że z powodu ograniczeń fizycznych głośników częstotliwość podziału wypada właśnie w tym miejscu. Zmusza to do jak najlepszego dopracowania zwrotnicy. Słuch jest w stanie wprawdzie wychwycić różnicę 1,5 dB lecz w normalnej pracy głośników gdzie sygnał składa się z wielu częstotliwości odtwarzanych równocześnie, nie należy się przejmować lekkim pofałdowaniem charakterystyki. Całość zniekształceń przy charakterystyce w granicach normy, można odczuwać jako subiektywny charakter brzmienia zestawów. Dopiero podwyższenie lub obniżenie szerszego zakresu częstotliwości powoduje nieprzyjemną zmianę barwy lub niedostatek czy nadmiar pewnych dźwięków. Większe zmiany (od +-2db wzwyż) w szerszym przedziale częstotliwości są już wyraźnie słyszalne jako nieprawidłowy dźwięk (faworyzowanie lub niedobór niektórych tonów).
    Zaletą zwrotnic I rzędu (6db/okt) jest mała liczba elementów (co daje mniejszy koszt) lecz można w ten sposób łączyć głośniki bardzo wytrzymałe na podawanie sygnałów powyżej i poniżej optymalnego zakresu ich pracy i które mają dość wyrównaną swoją pierwotną charakterystykę. Filtry I rzędu można oczywiście łączyć z filtrami II (12db/okt Butterwortha) i III rzędu (18dB/okt). W warunkach domowych orientacyjnie przyjmuje się że przy filtrze I rzędu, głośnik emituje dźwięki 2 oktaw powyżej lub poniżej Fp (od Fp do 4Fp lub of Fp do 0,25Fp), przy filtrze II rzędu zakres ten maleje do jednej oktawy (Fp do 2Fp lub Fp do 0,5Fp) o czym należy pamiętać dobierając pasmo, w którym będzie wykorzystany przetwornik oraz częstotliwości graniczne współpracujących z nim filtrów. Np. wysokotonowe kopułki produkują często duże zniekształcenia nielinearne przy częstotliwości rezonansu Fs i jeśli ustawi się Fp tylko o jedną oktawę wyżej od Fs to napięcie przy tej częstotliwości zmniejszy się tylko dwukrotnie a więc zniekształcony sygnał może być słyszalny. Powstaje niebezpieczeństwo przeciążenia termicznego i mechanicznego wywołane zbyt dużym napięciem na cewce poza obszarem pracy i zbyt dużymi wychyleniami kopułki w tym przedziale W takim przypadku Fp musi się znajdować co najmniej 2 oktawy wyżej niż Fs, albo należy sięgnąć po zwrotnicę II rzędu gdzie odległość ta może zostać zmniejszona. I znów tajemnica odkryta. W warunkach amatorskich bez uzasadnienia pomiarami nie stosuje się raczej zwrotnic III rzędu ze względu na podwyższone koszty i kłopotliwość z przewidzeniu zachowania, aczkolwiek nie jest to niemożliwe. W układach wielodrożnych stosuje się także filtry pasmowe które rozpatruje się jak pojedyncze filtry składowe górno i dolno przepustowe z nałożonym na siebie zakresem pasma przenoszenia (gałąź zwrotnicy dla głośnika średniotonowego).


    Nie należy zapominać że wpływ na charakterystykę głośników, w szczególności średniotonowych ma wytłumienie i izolacja akustyczna od reszty zestawu. Dlatego stosuje się głośniki śrdniotonowe z własną komorą lub innym wytłumieniem w koszu.
    Dla ułatwienia w orientacji w częstotliwościach podziału i wartościach elementów związanych z nimi, przedstawiam tabelę pomocniczą:

    tabela FpLC zawierająca wartości elementów dla konkretnych Fp


    Dodatkowymi elementami zwrotnicy mogą być tłumiki wyrównujące efektywność (rezystory szeregowo równoległe lub regulatory współbieżne) oraz układy kompensacji impedancji. Pierwsze z nich można łatwo obliczyć lub wybrać z tabeli

    Tabela wartości rezystorów tłumików (L-Pad)




    A oto prosty układ równań pozwalający obliczyć wartości rezystorów dla dowolnego tłumienia i dowolnej impedancji przetwornika:

    T = 20*log( (R2*Z)/(R1*R2+R1*Z+R2*Z))
    R1=Z2/(R2+Z) lub R2=(Z2/R1) - Z (można skorzystać z dowolnego z tych dwóch wzorów - jak komu wygodniej)


    gdzie:
    T - tłumienie w dB
    R1 - rezystor szeregowy do przetwornika
    R2 - rezystor równoległy do przetwornika
    Z - impedacja przetwornika


    Układy kompensacji wymagają więcej uwagi
    Przy małych częstotliwościach układ kompensacyjny podłączony równolegle do głośnika nie wykazuje aktywności. Przy zwiększaniu częstotliwości gdy znana wartość impedancji głośnika się zwiększa, układ zaczyna przewodzić powodują wyrównanie obciążenia zwrotnicy. Rezystor ma większą rezystancję większą od rezystancji cewki drgającej głośnika RDC (najczęściej o 50%), a kondensator jest tak wybrany aby zaczął przewodzić przy podwyższeniu krzywej impedancji głośnika .


    gdzie L to indukcyjność cewki głośnika.

    Innym sposobem niwelowania tego zjawiska jest zwój zwarty stosowany przez światowych producentów dobrych głośników.
    Jeszcze jednym ważnym zagadnieniem jest środek promieniowania akustycznego. Związany z przesunięciami fazowymi . Istnieje pozorny punkt z którego wychodzą fale akustyczne . Należy sobie uświadomić że dźwięk potrzebuje określonego czasu , aby z zacisków głośnika dotrzeć do uszu. Znając odstęp czasu i prędkość dźwięku w powietrzu można obliczyć odbytą przez falę drogę. Okazuje się że punkt ten leży na wysokości cewki drgającej głośnika. W zależności od głębokości kosza lub tuby miejsce powstawania dźwięku jest usytuowane zatem bliżej lub dalej za płytą czołową kolumny (odgrodą). Ponieważ różne czasy dla różnych długości fal są zauważane jako kolejne zniekształcenia. Istnieje wzór na obliczenie opóźnień lecz konstruktor bez wspomagania komputera i bez pomiarów w komorze bezechowej praktycznie nie może uwzględnić tych parametrów w celu korekcji układu zwrotnicy. Należy się trzymać zasady że aby zbliżyć zestaw głośnikowy do punktowego źródła dźwięku, należy umieszczać głośniki w jednej linii patrząc od przodu i możliwie najbliżej siebie oraz w miarę możliwości zastosować obudowę o stopniowanej płycie czołowej. Obudowa o stopniowanym froncie ma większą głębokość dla większych głośników przez co są one wysunięte do przodu. Patrząc z boku cewki napędów są w przybliżeniu także w jednej linii. Ważne jest tu także ustawienie głośników względem słuchacza (względem odpowiedniego poziomu, najczęściej na wysokości uszu).

    Marek W (2004)