• Układy izobaryczne (tandemy)

    Od jakiegoś czasu bawiłem się tandemami czyli układami izobarycznymi. Eksperymenty przeprowadzałem na dwóch typach głośników. Dla potrzeb rozważania samego zachowania parametry nie są konieczne ale były to 20cm Westry SW200-1304 (z których powstały w końcu regałówki) oraz ARNy 188/03 .Te drugie miały być wykorzystane do podłogowego zestawu ale o tym później. Przy okazji prowadzonych prac zdobyłem pewne doświadczenia na temat zestawów x,5 drożnych o czym także wspomnę. Pierwsze próby wykonane były w skrzyni testowej bassreflex z regulowaną przegrodą i dostosowanymi otworami do ARNów 188. Regulowana przegroda po to żeby uzyskać odpowiednią objętość czynną, a mocowania i dodatkowa ściana wewnątrz wiadomo, gdzieś musi siedzieć drugi składowy przetwornik tandemu. Oczywiście można by dla niniejszych prób zamontować głośniki „twarzami” do siebie, ale założenie było inne. Dlaczego? Otóż okazało się że tańsze głośniki o specyficznych zawieszeniach przy zmniejszeniu ekwiwalentu Vas o połowę podczas pracy w izobaryku, cierpiały na nadwrażliwość górnego zawieszenia. W ekstremalnych przypadkach dochodziło do sytuacji gdy zawieszenie wywalało się jakby na lewo gdyż obudowa nie była nigdy idealnie dostrojona i oczywiście głośniki pracowały w nieoptymalnych warunkach. Dodatkowo chodziło o czynną powierzchnię membrany której było mi szkoda (planowałem wykorzystanie 2 par izobarycznych złożonych z 188mek w zestawie 3 drożnym). Przy ustawieniu jednego głośnika za drugim jakie preferuję także ze względów estetycznych można uzyskać efektywność podobna do pojedynczego głośnika składowego a zatem nie ma strat co w przypadku ARNów jest ważne. Oczywiście czasem warto poświęcić trochę efektywność na rzecz szerokości pasma ale bez przesady Dlaczego z efektywnością właśnie tak jest? W książce przeczytałem i sprawdziłem. Teoretycznie jak wiadomo dwa przetworniki powinny mieć większą efektywność (o ile, zawsze jest kłótnia bo sumuje się powierzchnia membran i dwa źródła pracujące w jednakowej fazie itd..) W tandemie sumowania powierzchni membran siłą rzeczy nie ma ale jest efekt podobny trochę jak w głośnikach dwu cewkowych czyli podatność zawieszeń zmienia się i podwaja siła napędowa, jednak z powodu dodanej masy (2 membrany i każdy litr powietrza to 0,55g w komorze izobarycznej) wyrównuje się wszystko do mniej więcej średniej pojedynczego przetwornika składowego. Wiadomo przebieg charakterystyki wypada różnie o czym później. Dobre rezultaty może przedstawiać także układ głośników skierowanych układami magnetycznymi do siebie ale dochodzi wtedy konieczność ekranowania magnetycznego żeby uniezależnić napędy od siebie. Komory izobarycznej nie warto w nieskończoność powiększać tym bardziej stosując identyczne głośniki, więc magnesy muszą być blisko siebie. Z powodzeniem taka konstrukcja stosowana była w Totem Acoustic Mani-2 (monitorkach 2 drożnych).


    W każdym z przypadków ustawienia, zawsze układ kilku głośników jest w stanie przyjąć więcej mocy co jest oczywiste. Okazuje się że nie tylko subwoofery na tandemach się buduje. Dlaczego to możliwe od razu opowiem. Otóż jeśli charakterystyka naturalna głośnika w standardowej obudowie łagodnie ale ciągle wykazuje wzrost wraz z częstotliwością to można przy pomocy tandemu upoziomować ten wzrost z jednoczesnym poszerzeniem pasma w dół i pewna zaletą jest to, że nie trzeba w układzie zwrotnicy stosować tak drastycznych wartości indukcyjności cewek filtru dolnoprzepustowego (inne zbocze filtru, inna dobroć krótko mówiąc). Tu dochodzimy to zależności charakterystyki głośnika od jego dobroci w układzie. Nie zawsze jest tak że charakterystyka tandemu sprawia iż poszerzenie pasma w dół pociąga za sobą spadek efektywności przy częstotliwości wyższych. Wiele zależy od obudowy i jej strojenia , dobroci całego układu, Qtc wyrażonej wzorem :


    Zaobserwowałem że głośniki z większym wstępnym Vas w stosunku do założonej objętości Vb (jeszcze przed zmontowaniem tandemu) po jego podzieleniu przez dwa (po wmontowaniu do izobaryku) zachowują się jak jeden dobry głośnik bez większego spadku efektywności powyżej około 150Hz. Zatem dochodzi do sytuacji kiedy dzięki tandemowi można zastosować w obudowie z otworem teoretycznie niezbyt dobry głośnik którego iloraz Fs i dobroci Qts raczej kieruje w stronę zamkniętej. Poglądowo:linia zielona pojedynczy głośnik, czerwona tandem

    Duża dobroć przy założonej objętości Vb i Fb Zastosowano cewkę filtrującą około 3KHz


    Mała dobroć (lepszy głośnik) ta sama Vb i Fb Zastosowano cewkę filtrującą około 3KHz


    W przypadku głośników z mniejszym wstępnym Vas/Vb, dodana masa daje więcej do wiwatu i układ zachowuje się inaczej. Raczej poszerza się pasmo w dół ale powyżej mniej więcej 150 Hz zaczyna się obniżenie efektywności (uwypuklenie kosztem średniej efektywności). Podsumowując: można czasem uzyskać poszerzenie pasma w dół lub nawet lekkie podbicie najniższych częstotliwości bez strat średniej efektywności w zakresie wykorzystania przetwornika lub poszerzenie przenoszenia w dół z lekkim obniżeniem poziomu skuteczności (także w zakresie do którego zostały użyte) przy założonej objętości obudowy Vb. W zastosowaniu tandemów do subwooferów ten drugi wariant jest nawet lepszy gdyż stosując wielkie głośniki o ciężkich membranach można naturalnie ograniczyć zakres przenoszonych przez nie częstotliwości. Wiadomo parametry głośników zależą fizycznie od ich wielkości (średnicy) i w układach kolumn pełnopasmowych lepiej sprawdzają się przetworniki co najwyżej do 20cm. Poza zmniejszeniem rozmiarów obudowy można uzyskać ładną kompensację spadku efektywności głośnika dla najniższych częstotliwości . Warto poświęcić chwilę czasu i trochę materiału na zbudowanie odpowiedniej komory by ustawić głośniki jeden za drugim, a jeśli ktoś ma większy budżet można pokusić się o ekranowanie magnetyczne. Komora izobaryczna musi być bardzo szczelna inaczej efekt może być co najmniej nieprawidłowy, nie żałować zatem silikonu (uwaga nie każdy silikon czy uszczelniacz dobrze trzyma się drewna, i lepiej nie stosować szybkich kitów które twardnieją). Należy także pamiętać o dokładnym jej odkurzeniu i najlepiej wytarciu wilgotna szmatką przed zamknięciem, oraz o należytym umocowaniu przewodów doprowadzających sygnał do głośnika przedniego (najlepiej jeśli będzie krótki i sztywny).


    Podobnie jak głośniki o mniejszym Qts i Fs , układ izobaryczny jest bardziej tolerancyjny na odstrojenie od optymalnej częstotliwości rezonansowej obudowy pod względem impulsu (można zatem wyżej zestroić o parę Hz uzyskując wręcz podbicie dołu) , lecz niestety bardziej podatny na niekontrolowane drgania podakustyczne, jak głośniki o większej podatności zawieszeń Cms i trzeba tu rozpatrywać całkowitą dobroć układu Qtc (głośnik w konkretnej obudowie). Oczywiście z obudowach zamkniętych zjawisko zmiany przebiegu charakterystyki w dole pasma wywołane tandemami jest inne i z eksperymentów wynika że czasem nie daje wiele słyszalnego efektu, ale na pewno nie trzeba się obawiać zwarć akustycznych na częstotliwościach subsonicznych. W tym momencie muszę powrócić do ARNów. Ponieważ ich naturalna charakterystyka (zmierzona we wzorcowej obudowie odniesienia) powyżej 200Hz lekko opada do poziomu, to po włożeniu do tandemu dwóch takich głośników uzyskany spadek powyżej tej częstotliwości jest dość szybki jak dla subwoofera (czy to autonomicznego czy będącego częścią układu x,5 drożnego) ale za szybki do zastosowania w układzie trójdrożnym do którego go potrzebowałem. Miałem w założeniu wykorzystać po dwa tandemy na kolumnę żeby uzyskać efektywność średnia zestawu koło 88dB wraz ze średnio tonowym ARP 115 i polska kopułką. Zestaw miał być niedrogi więc nawet wykorzystanie tak dużej ilości 188mek nie było złe. Jednak w perspektywie konieczności wykonania pierwszego podziału bardzo nisko (koło 250 – 300 Hz) należałoby zastosować lepszy głośnik średnio tonowy lub nawet nisko-średnio tonowy wykorzystany w tym przedziale, co już dodatkowo podnosiło koszty (wraz z kosztami zwrotnicy). Tu zacząłem kombinować nad wspomaganiem układu dwu lub trójdrożnego wbudowanym subniskotonowym kanałem czyli x,5.


    Pomysł jeden z kilku

    Bawiłem się klasycznymi układami x,5 czyli dwa głośniki nisko-średnio tonowe we wspólnej lub oddzielnych komorach ale zawsze jeden odcinany bardzo nisko. Bawiłem się także z wspomagającym bandpassem we wspólnej obudowie z zestawem 2 drożnym itd. W każdym z przypadków zestrojenie całości jest ciężkie, zwrotnice są kłopotliwe szczególnie biorąc pod uwagę zachowania głośników podłączonych przez filtry o różnych zboczach pod względem fazowym itd. Do tego wszystkiego dochodzą kłopoty z minimum impedancji tak złożonych układów. Ponieważ miałem w domu kilka sztuk GDN 20/60/3 15Ohm poczyniłem następne eksperymenty w dodatku zakładając, że konstrukcja nie ma być charakterystycznie 4ro Ohmowa (minimum na poziomie 5,5 Ohm). Na początku chciałem zasilać wszystkie 3 głośniki jednakowym sygnałem (z tego samego filtra) a przenoszenie składowej zamkniętej części i tandemu regulować rezonansami komór. Nie była to trafna koncepcja i wielce rozrzutna energetycznie. Swoje pomysły konsultowałem z Yoshim który wykonał kilka symulacji składając charakterystyki różnych komór, a także np. dwóch bassreflex o zróżnicowanym strojeniu. Na podstawie efektu zróżnicowanego strojenia zbudowano kolumny Monitor Audio Gold Reference. Po złożeniu charakterystyk uzyskuje się podwyższenie efektywności jak dla dwóch głośników z jednoczesnym poszerzeniem w dół pasma jednak z charakterystycznym kształtem zbocza (od dołu) Ponięzj poglądowo idealizowana ch-ka wg producenta:: A-normalna obudowa BR z jednym głosnikiem, B i C – składowe komory,D-wypadkowy przebieg złozony z BiC.


    Yoshi: "Do symulacji użyłem głośnika 6,5" jakiś no name ale parametrami prawie identyczny z tonsilowskim GDN 16/50. Pierwsza typowo poglądowa. Jeden głośnik pracuje w obudowie 10 L , strojenie 51 Hz , czyli mała budka i wysokie strojenie. Dwa pozostałe śmigają w sumie 40L obudowie , strojenie 42Hz , czyli poszedłem w kierunku wyciągnięcia jak największej ilości basu , chociaż te głośniki niezbyt się do tego nadają :/. O to co uzyskałem :


    Czerwony to oczywiście jeden głośnik w małej obudowie , czarny wykres to ch-ka dwóch głośników w dużej. Po zsumowaniu :


    Jak widać ch-ka na samym basie niezbyt się poprawia już bo nie ma z czego. Lekkie podbicie na 100Hz i relatywnie wysoko położony punkt f3. Moim zdaniem same straty gdyż wszystkie starania o wyciągnięcie max basu z dwóch głośników w dużej obudowie spełzły na niczym. f3 wysoko a impuls raczej przeciętny. Przy innych bliższych strojeniach byłoby lepiej ale po co wtedy bawić się w osobne komory skoro prawie identyczny wynik można uzyskać w jednej dużej komorze dla 3 głośników razem. Osobiście porzuciłbym te idee na rzecz innej , nieco bardziej skomplikowanej ale umożliwiającej uzyskanie naprawdę wypasionego basu )) . Pojedynczy głośnik wsadziłem do malutkiej obudowy zamkniętej 4L , jego ch-ka nie prezentuje się okazale ale o to chodziło a głównie o nachylenie jej spadku. Strojenie obudowy Czybyszewa. Dwa pozostałe śmigają w obudowie br 50L , strojenie 38 Hz , czyli poszedłem maksymalnie w stronę basu. Na początek ch-ki obudów :


    Należało teraz wykorzystać nadmiar basu. Dla głośników w BR dałem filtrację Butterwortha 2rz na 70Hz :


    Po tej operacji wystarczyło tylko zsumować i ... :


    Całkiem przyzwoita charakterystyka. Można powiedzieć ,że z mega basem jak na te głośniki. Poziom f3 przesunął się aż do 34 Hz , f6 30 Hz !! Oczywiście odbyło się to kosztem impulsu ale można trochę wyżej zestroić i dać mniejsza obudową. Mimo wszystko pożytkując 3dB owy nadmiar efektywności dwóch dodatkowych głośników na cel przetwarzania basu można sięgnąć o wiele dalej niż w klasycznej obudowie. Jedyny problem to filtracja głośników ,najlepsza byłaby aktywna. Ch-kę filtru należy dobrać do ch-ki głośnika w obudowie zamkniętej aby nie było problemów z fazą.” Druga symulacja Yoshiego pokazuje ze tradycyjna koncepcja układu x,5 drożnego jest chyba najprostsza i najrozsądniejsza, gdyż aby uzyskać zysk z tandemu dla wspomagania dołu należałoby wykorzystać w nim głośniki większej średnicy niż trzeci nisko-średnio tonowy lub dwa tanndemy. Właściwie komentarze Yoschiego tłumaczą wszystko. Wracamy do konieczności filtrowania subniskotonowej części gdyż inaczej ciężko byłoby zestroić całość przy pomocy rezonansu składowych komór (jednej zamkniętej i jednej BR). Dodatkowo małe obudowy nawet mocno tłumione dają słyszalne niekorzystne efekty w zakresie podwyższonego rezonansu głośnika. Zysk z zalet zastosowanej zamkniętej komory zatem spada jeśli nie będą odfiltrowane najniższe składowe (wraz ze szkodliwym rezonansem). Wydatek na głośniki i zwrotnicę nie ma uzasadnienia a i tak dochodzi się do normalnego wielodrożnego zestawu. Eksperymenty trwały dalej. Zastanawiałem się nad układami spotykanymi częściej jako zamknięte ale i bassreflex. Są to tandemy niesymetryczne w których wykorzystuje się z premedytacją masę powietrza w komorze izobarycznej a nawet powoduje się spowolnienie jego ruchów przez wprowadzenie wytłumienia komory. Wytłumienie i wielkość komory zabezpiecza także niesymetryczny tandem przed skutkami nierównomiernego obciążenia głośników. Rysunek zamkniętej obudowy Scan Speak i wielkiej konstrukcji Visaton


    Książki milczą o teoriach obliczania takiego systemu albo ich nie ma, nie wiem. Ciekawa sprawa wyszła podczas eksperymentów. Otóż okazuje się, że stosując wg koncepcji większy głośnik promieniujący bezpośrednio i mniejszy o podobnie niskiej częstotliwości rezonansowej promieniujący do komory rezonansowej, należy zastosować zróżnicowane odcięcie obu przetworników. Wynika to z tego że duży głośnik cięty np. przy 140Hz otrzymuje dodatkową masę co powoduje wyraźny spadek efektywności powyżej częstotliwości podziału. Żeby nie ciągnął mniejszego głośnika jak membrany biernej w dużej w tym przypadku komorze izobarycznej jest wytłumienie redukujące lekko ten efekt. Mały głośni jest jednak także zasilany więc sobie po tych zabiegach poradzi, ale co dziwne powinien być zasilany z wyżej odcinającego filtru (o kilkadziesiąt Hz, np. 190Hz) I przeważnie jest to filtr o innym zboczu. Wszystko po to żeby po złożeniu charakterystyk, uzyskać miłe uwypuklenie najniższych częstotliwości o szerokim grzbiecie i tym samym skompensować teoretyczny spadek efektywności dużego. Nie wiem jak to wszystko wpływa na odpowiedź impulsową ale spotyka się tego typu dość drogie konstrukcje więc ktoś uznał że warte są poczynionych nakładów. W warunkach domowych można wykonać niewiele eksperymentów i nie da się ich dokładnie obmierzyć, opisać. Zatem dla przeciętnego konstruktora koncepcja także nie uzasadniona finansowo. Jedno jest pewne trzeba do nich stosować dobre głośniki, wytrzymałe i odpowiednio zestrojone na podstawie licznych pomiarów. O ile symetryczne (złożone z jednakowych przetworników) tandemy zasila się jednakowym sygnałem, w niesymetrycznych jest inaczej. Kiedy wpadły mi w ręce starsze Westry będące przygotowanymi do sprzedawania pod tym szyldem wersjami GDN 20/60 4 Ohm , poeksperymentowałem z innym odcinaniem. Otóż wydawało mi się że można głośnik tylny (schowany) zasilić sygnałem odcinanym niżej. Co miało to dać? Ponieważ dla wyższych częstotliwości fala jest krótsza , pomyślałem że wspomaganie energetyczne drugim napędem pozostawię do np. 200Hz a później odetnę tylny głośnik, a wyższe częstotliwości w odpowiednio dużej komorze izobarycznej nie spowodują jego wzbudzania podobnego do membrany biernej a jeśli już to efekt będzie zbliżony do działania elementu stratnego. Ponieważ znów okazało się że w domu to sobie można coś tak zmierzyć lecz nie wiadomo z jaką dokładnością, po kilku próbach zarzuciłem tą koncepcję. Regulacja wielkości komory izobarycznej wpływała na całość jak się spodziewałem ale pojawił się element jak myślę indukowania w tylnym głośniku prądu co było widać przy zwykłym pomiarze impedancji, a już nie wspomnę że należałoby sprawdzić pasożytnicze drgania membran (nie wiem może jakimś laserem....) Ostatecznie Westry posłużyły do zbudowania regałówek do odsłuchu w polu bliskim, o większym od swych rozmiarów dźwięku. Musiałem 10cm średniak stłumić parę dB a kopułka była niewielka więc się świetnie zgrała (przy dość wysokim podziale). Westry także dzięki naturalnej charakterystyce mogą ciągnąć (można ciąć) wyżej niż np. 188tki, przy zredukowanej indukcyjności filtrującej cewki. Filtr dodatkowo nie musiał być 12dB/okt a wystarczył 6dB/okt co dla mnie jest zaletą ze względu na mniejsze zniekształcenia fazowe co dobrze się składało bo głośniki są połączone szeregowo (dla uzyskania 8Ohm). Dodatkowo wydaje się, że tandemy trochę ukrywają przesunięcia fazowe głośników połączonych szeregowo (można głośnik drugi patrząc od gorącego bieguna dać z tyłu, tak wyszło mi lepiej). Dźwięk całości naprawdę zaskoczył mnie miło. Warto było poświęcić czas żeby kilkoma metodami sprawdzić strojenie, aby precyzyjnie się wstrzelić i uzyskać kontrolę nad tandemem zarówno w zakresie impulsu jak i niesłyszalnych niespodzianek na podakustycznej. Wiem że ich użytkownik jest zadowolony.


    Mam nadzieję że kilka moich doświadczeń przyda się Wam czasem.

    MarekW (2005)