Główny problem ze zwrotnicami głośnikowymi polega na tym, że te filtry obliczane są dla obciążenia o charakterze rezystancyjnym, tzn. takim, w którym moduł impedancji obiektu obciążającego wyjście filtra dla każdej częstotliwości pasma akustycznego przyjmuje stałą wartość (np. 8 omów). Rzeczywiste obciążenie ma charakter reaktancyjny wynikający ze schematu zastępczego głośnika dynamicznego. Wykres podzielić można na cztery obszary:
1) Obszar poniżej rezonansu, gdzie moduł impedancji przyjmuje wartość równą w przybliżeniu rezystancji szeregowej uzwojenia cewki głośnika przy pobudzeniu stałoprądowym.
2) Obszar rezonansu, w którym moduł impedancji najpierw przyrasta osiągając lokalne ekstremum a następnie opada do poziomu tzw. impedancji znamionowej.
3) Obszar w którym moduł impedancji utrzymuje wartość impedancji znamionowej.
4) Obszar, w którym następuje przyrost wartości modułu impedancji na skutek udziału składowej reaktancyjnej (w tym przypadku pochodzącej od induktancji czyli reaktancji indukcyjnej uzwojenia cewki głośnika) wraz ze wzrostem częstotliwości.
Dla przykładu charakterystyka modułu impedancji funkcji częstotliwości głośnika GDM 18/40/1:
No i teraz możemy przeprowadzić eksperyment mający na celu uświadomienie sobie, w jaki sposób zachowa się filtr pasmowoprzepustowy pierwszego rzędu obciążony oporem stałym i rzeczywistym przetwornikiem. W ramach przykładu przyjmujemy obciążenie ośmioomowe i częstotliwości podziału fd = 200 Hz oraz fg = 2000 Hz.
Filtr obciążony oporem stałym:
Filtr obciążony głośnikiem dynamicznym GDM 18/40/1:
Dla uproszczenia przyjmujemy, że charakterystyka poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości głośnika jest linią prostą na poziomie 0 dB:
Linia czerwona to filtr obciążony oporem stałym, linia czarna to filtr obciążony rzeczywistym głośnikiem dynamicznym.
Obserwacje:
1) W rezonansie filtr w ogóle nie działa. Wynika to z faktu, że ustaliliśmy fd bardzo blisko częstotliwości rezonansowej głośnika i zastosowaliśmy filtr pierwszego rzędu o nachyleniu 6 dB/okt. Moduł impedancji w szczycie stanowi wielokrotność wartości modułu impedancji, dla którego został zaprojektowany filtr.
2) W obszarze przepustowym filtr działa mniej więcej zgodnie z przewidywaniami ponieważ obszar ten pokrywa się z obszarem, w którym moduł impedancji utrzymuje wartość impedancji znamionowej.
3) W obszarze zaporowym powyżej fg wraz ze wzrostem częstotliwości filtr działa coraz słabiej. Wynika to z faktu stopniowego przyrostu wartości modułu impedancji w funkcji częstotliwości na tym obszarze charakterystyki.
Środki zaradcze:
1) Stosowanie fd w bezpiecznym oddaleniu od częstotliwości rezonansowej głośnika (dotyczy to szczególnie głośników wysokotonowych).
2) Zastosowanie filtrów wyższego rzędu o nachyleniu 12, 18 lub 24 dB/okt.
3) W przypadku gdy chcemy zastosować niższy podział lub mniejsze nachylenie filtra musimy skompensować charakterystykę modułu impedancji w funkcji częstotliwości w obszarze rezonansu przy pomocy pułapki rezonansowej RLC (taki zabieg to raczej ostateczność).
4) W przypadku filtrów dolnoprzepustowych spadek efektywności działania filtra wraz ze wzrostem częstotliwości załatwiamy obwodem kompensacyjnym Zobla lub optymalizacją wyliczonych wcześniej elementów filtra (np. na drodze symulacji w programach komputerowych typu Speaker Workshop lub VituixCAD).
W rzeczywistości dochodzą nam jeszcze sprawy związane z nieliniowym kształtem charakterystyki poziomu ciśnienia akustycznego głośnika dynamicznego w funkcji częstotliwości. Tutaj jednak przeanalizowałem tylko parametry elektryczne obciążenia oraz ich wpływ na działanie filtra aby zjawiska te były lepiej zrozumiałe dla początkujących konstruktorów.