• Zwrotnice częstotliwościowe - Rozwiązania uniwersalne

    W rozdziale tym przedstawię uniwersalne i popularne zwrotnice od najprostszych do najczęściej stosowanych, oraz przeanalizuję konkretny układ pod względem optymalnego dopasowania.
    Najprostszym rozwiązaniem podziału pasma jest włączenie w szereg z głośnikiem wysokotonowym kondensatora. Jest to układ największych skrajności. W swej prymitywności przy zastosowaniu popularnych głośników będzie faworyzował tony średnie , a przy zastosowaniu świetnych przetworników będzie idealnie minimalistyczny. W praktyce jest rzadko spotykany w poważnych konstrukcjach. Rysunek poniżej przedstawia klasyczne zwrotnice I i II rzędu oraz mieszane konstrukcje. Podane wartości elementów są oczywiście orientacyjne i należy je korygować zgodnie z założeniami konstrukcyjnymi.




    Jeśli nie można nabyć elementów o podanych lub wyliczonych wartościach , można stosować np. łączenie równoległe baterii kondensatorów lub ew. wykonać cewkę samodzielnie. Do wykonania cewki należy się przygotować tzn. zakupić drut o odpowiednim przekroju izolowany emalią, odpowiedniej wielkości szpule oraz wyliczyć potrzebną ilość zwojów na konkretnym karkasie lub skorzystać z pomocniczych nomogramów.


    Przykładowe wymiary szpul mogą być następujące:
    - cewki do 0,3mH a=20mm, b=12mm, c=50mm drut 0,7 lub 0,8 mm dla 0,1mH to 60 zwojów, 0,2mH to 85 zwojów, 0,3mH to 102 zwoje;
    - cewki do 2mH a=25mm,b=25mm,c=70mm liczna zwojów wg krzywej i podziałki naniesionej z lewej strony;
    - cewki do 10mH a=25mm,b=40mm,c=100mm liczba zwojów wg krzywej i podziałki z prawej strony.

    Przy większych mocach i grubościach drutu, wymiary cewki będą oczywiście inne.
    Dla ułatwienia w strojeniu w cewce można wykonać odczepy. Zasada jest jedna, im grubszy drut tym mniejsza rezystancja i mniejsze straty energii.
    średnica drutu/rezystancja 1 metra drutu
    mm/Ohm
    0,69/0,0469
    0,8/0,0349
    1,0/0,0234
    1,2/0,0155
    1,45/0,0106
    1,56/0,0092

    Należy jednak nie przekraczać progu opłacalności, dlatego też przy większych indukcyjnościach stosuje się cewki rdzeniowe trudniejsze do wykonania w warunkach amatorskich, ze względu na znikome informacje na temat dostępnych rdzeni. Drut o przekroju kwadratu lub prostokątu (cewki taśmowe) jest o tyle dobry, że można go ciaśniej i precyzyjniej ułożyć na szpuli. Przewody połączeniowe (okablowanie wewnętrzne) także nie może być przypadkiem. Powinny one być odpowiedniej średnicy oraz jak najkrótsze jednak na tyle długie żeby można było wygodnie montować głośniki. Jeśli przewód ma duża średnicę i stosujemy lutowanie go do zacisków głośnika należy pamiętać że delikatne doprowadzenia (szczególnie w kopułkach) łatwo mogą ulegać przegrzaniu jak i może dojśc do uszkodzenia uzwojenia w skrajnych przypadkach. Lutowanie musi być sprawne , a jeśli to niemożliwe trzeba zaopatrzyć końcówki przewodów w specjalne konektory nasuwane na blaszki doprowadzeń. Generalnie do głośników średnio i wysoko tonowych średnica przewodu może być trochę mniejsza niż do niskotonowców. O płytkach drukowanych i ich mocowaniu wspominałem w poprzednim rozdziale. Dużym ułatwieniem jest oznaczanie przewodów.

    Przykład praktyczny dopasowania zwrotnicy.
    Często okazuje się że podczas obliczeń wychodzą wartości elementów zwrotnicy niespotykane w produkcji. Można próbować stosować odpowiednie połączenia elementów żeby zbliżyć się do obliczeń lub zastosować elementy typowe z szeregu . Zmusza to czasem do lekkiej korekty założeń w większości przypadków bez uszczerbku dla całości Niestety obliczenia jak mówiłem na samym początku, są dokonywane w uproszczeniu dla czystych rezystancji, oraz w założeniu że rezystancja ta jest stała w funkcji częstotliwości. Okazuje się że nie można traktować tego uproszczenia dosłownie i zwrotnicę należy dopasować.

    Większość głośników nie ma idealnej charakterystyki , często już z powodu odgrody (obudowy) dochodzi do jej odchyleń. Dodatkowo przebieg krzywej impedancji jest nierównomierny szczególnie przy częstotliwościach rezonansów własnych przetworników. Czasem wielkim błędem jest stosowanie drogich głośników i zwrotnic bez przemyślenia. Czasem warto sięgnąć po znane i sprawdzone układy zamiast eksperymentować bez możliwości dokonania pomiarów. Choć osobiście jestem zdania że pomiary w domu przy pomocy nieliniowych układów w warunkach często odbiegających od laboratorium nie są idealne, to uznaję ich wartość poglądową i wiem że mogą ustrzec przed grubszymi błędami. Wszystko zależy od stworzonych warunków pomiarowych które należy uwzględnić oraz moim zdaniem niektóre pomiary wykonane w środowisku bardziej naturalnym (kolumny koniec końców będą pracować w domu który nie jest sterylny jak laboratorium) dają inny czasem realniejszy obraz całości.
    W przykładzie użyto głośnika nisko-średniotonowego W170S oraz kopułkowego wysokotonowca DT94 w układzie dwudrożnym bassreflex. Obudowa klasyczna dla monitorka 13litrów.



    Charakterystyki głośników wraz z krzywą impedancji wg producenta



    Dane techniczne

    Filtr 12db/okt o Fp 4KHz dla 4 Ohm obliczony wg wzorów wyglądałby następująco


    Zmierzona charakterystyka głośnika bez zwrotnicy, zamocowanego w wąskiej obudowie wykazuje gładkość ale ciągły wzrost w funkcji częstotliwości. Ma to związek z tym że głośnik nie jest wbudowany w odgrodę nieskończonej wielkości. Ponieważ w pasywnej zwrotnicy natężenie dźwięku nie może być zwiększone, należy zmniejszyć efektywność zestawu do 84dB z efektem wypoziomowania krzywej. Zwiększona wartość indukcyjności cewki powoduje że poziom jest o tyle tłumiony i z taką stromością jak wzrastałby bez niej. Wartość kondensatora jest tak dobrana aby w pobliżu Fp zbocze filtru nachyliło się bardziej. njlepiej obrazują to poglądowe , uproszczone wykresy .


    Efektywność głośnika wysokotonowego należy zmniejszyć o 6dB aby wyrównać charakterystykę wielkość pojemności wybrano tak aby głośnik po obniżeniu całej krzywej pracował bezpiecznie daleko od Fs indukcja cewki także wpływa na stromość zbocza.


    Ponieważ częstotliwość podziału leży na tyle wysoko że przy w jej punkcie różnica fazowa samych głośników wbudowanych w odgrodę wynosiłaby około 30stopni ( deklarowana charakterystyka fazowa producenta lub zmierzona), a zwrotnica wnosi różnicę faz związaną z wybraniem innych wartości elementów LC niż zestrojenie dokładne przy Fp z rozsunięciem granic filtrów tak żeby przecięcie wypadało przy spadku –6dB, należy odwrócić biegunowość przyłączenia wysokotonowca.
    Bardzo ważne jest uwzględnienie mudułu i fazy impedancji, która w przypadku zastosowanych przetworników mieści się w granicach normy.
    Ostateczny optymalny układ wygląda następująco:


    Drastyczna korekcja nie zawsze jest konieczna lub jest niemożliwa ze względu na ograniczenia fizyki i finansów. Obniżenie poziomu średniej efektywności i odpowiednie dostrojenie obudowy, pozwoliło jednak na poszerzenie i wygładzenie pasma, choć sam zestaw nie jest idealny. Poniższa charakterystyka ma wygląd typowy dla małych monitorków.


    Parametry zestawu.
    Moc nominalna 60 W, muzyczna 100 W, Impedancja 4 Ohm, pasmo przenoszenia przy średnim poziomie efektywności 84dB: 58-22000 (-6dB), częstotliwość podziału 4KHz, obudowa bassreflex o wymiarach 380x230x230 mm, tunel o powierzchni czynnej otworu 8cm 2 i długości 6,5 cm, strojenie około 43-44 Hz.
    Po włożeniu tego zestawu do obudowy 28 litrowej o wym. 800x230x230 (mała podłogówka) i zestrojeniu przy pomocy otworu o powierzchni 34cm kwadratowe z tunelem 14cm, można poszerzyć zakres dolnych rejestrów (od 40Hz –6dB).
    Znany jest też układ z dodatkowym głośnikiem średnoiotonowym (10 cm) i odpowiednim układem zwrotnicy (częstotliwości podziału 450 i 3500 Hz) z dwoma basowymi W 170S 8 Ohm, o efektywności 86dB i paśmie 32-22000 Hz . Na podstawie tandemu dwóch głośników W170S 4 Ohm, można zbudować subwoofer aktywny (około 26 litrów) o poziomie natężenia dźwięku do 100dB (przy częst. odcięcia 50 – 100 Hz) Dlatego to mój ulubiony głośnik.

    Aktywne układy zwrotnic.
    Alternatywą zwrotnic pasywnych są układy elektroniczne umożliwiające rozdzielenie pasm przetwarzanych przez poszczególne głośniki przed wzmacniaczami. Wada takiego rozwiązania jest powiększenie kosztów związanych z koniecznością stosowania wielu końcówek mocy, zasilania kolumny z sieci 220V a zaletą to że uzyskuje się lepszą jakość dźwięku dzięki mniejszym zniekształceniom fazowym (wyeliminowanie pasywnych elementów nieliniowych) i możliwość swobodnej regulacji charakterystyki przenoszenia. Szczególna odmianą kolumny aktywnej jest subwoofer przenoszący jedno wybrane pasmo. Szerzej na ten temat w dziale "Subwoofery".
    Ze względu na trudności w wykonaniu praktycznym oraz konieczność znajomości podstaw elektroniki, amatorzy konstruktorzy rzadko sięgają do zespołów aktywnych pełno pasmowych. Większość zastosowań filtrów elektronicznych to wspomaganie kolumn klasycznych, aktywnym zestawem subniskotonowym gdzie relacja jakość/cena skłania do pokuszenia się o samodzielną budowę.
    Przykładów zwrotnic elektronicznych można znaleźć mnóstwo na stronach Internetu oraz w literaturze, dlatego więc wobec ich różnorodności nie będę szczegółowo opisywał ani przedstawiał schematów. Zawsze trzeba zostawić wybór dociekliwym i cierpliwym audiomaniakom.
    Obecnie istnieje jeszcze jedna metoda rozdzielania i korekcji pasm i ma swoje podłoże w technice cyfrowej. Wejście na rynek całych torów cyfrowych począwszy od układów sterowania wzmacniaczy, układów korekcji i kształtowania pola akustycznego a także cyfrowych końcówek mocy, stwarza szerokie możliwości lecz niestety nie dla amatorów samodzielnego budowania systemów nagłośnieniowych. Ze względu na to, że przyzwyczajeni jesteśmy do charakterystycznego brzmienia dotychczas wytwarzanych kolumn głośnikowych, cyfrową korekcję odbieramy jako nienaturalną gdyż w badaniach okazało się iż poziom zniekształceń jest drastycznie mniejszy a co za tym idzie dźwięk jest inny, choć technicznie lepszy .

    Marek W (2004)