Zaloguj
Zespoły głośnikowe, podobnie jak słuchawki, są końcowym komponentem systemu rejestracji, transmisji i odtwarzania dźwięku. Sygnał elektryczny zostaje w nich z powrotem zamieniony na ciśnienie akustyczne. Taki proces potrafimy przeprowadzać od dawna dzięki kilku wynalazkom sprzed ponad stu lat. Postęp w technice, zwłaszcza cyfrowej, zapewnił już dobre, a nawet bardzo dobre rezultaty na innych etapach, czyli w pozostałych urządzeniach toru dźwiękowego (odtwarzacze, wzmacniacze), których zasadnicza konstrukcja ogranicza się do układów elektronicznych. Natomiast przetworniki elektroakustyczne, w tym głośniki i zespoły głośnikowe, wciąż okazują się dalekie od doskonałości. Powodem jest zupełnie inna zasada działania – elementy te nie są układami elektronicznymi, w których technika cyfrowa może zrobić rewolucję, lecz układami elektromechanicznymi – znaczenie mają zatem zupełnie inne zjawiska fizyczne i problemy, których nie daje się łatwo rozwiązać. Nie wchodząc głębiej w zasadę działania różnego rodzajów przetworników, wystarczy stwierdzić, że w żadnym z nich nie jest możliwe uzyskanie idealnego przetwarzania dostarczanej do nich energii elektrycznej na ciśnienie akustyczne. Zostaje ono obarczone zniekształceniami różnego rodzaju, których kompleksowy pomiar wymaga bardzo rozbudowanego systemu, a pełny obraz sytuacji jest nieosiągalny. Co gorsza, podejmowane próby syntetyzowania możliwych do uzyskania wyników pomiarów w jedną ocenę jakości spełzły na niczym. Trudności te doprowadziły wielu użytkowników (audiofilów), a także część konstruktorów – zwłaszcza mniej obytych z techniką – do wniosku, że pomiary mają w ogóle niewielką użyteczność, skoro i tak nie gwarantują prostych wniosków, a wymagają nakładu pracy, umiejętności i sprzętu.
O ile jeszcze można zgodzić się z twierdzeniem, że użytkownicy nie muszą wynikami pomiarów zawracać sobie głowy (chociaż i dla nich mogą one być ciekawe i pouczające), o tyle konstruowanie zespołu głośnikowego bez wsparcia systemu pomiarowego jest… wciąż możliwe, ale znacznie trudniejsze i rzadko prowadzi do najlepszych możliwych rezultatów. Ocena jakości przez indywidualnego użytkownika może być oparta na subiektywnych wrażeniach odsłuchowych – w końcu do tego służą kolumny i inny sprzęt – chociaż wielu chciałoby swój wybór wesprzeć świadomością, że budzące ich zainteresowanie kolumny czy wzmacniacz (również według obiektywnych kryteriów) reprezentują wysoki poziom, a brzmienie będzie naturalne dzięki prawidłowym charakterystykom. Dlatego zamieszczamy pomiary w czasopiśmie „AUDIO”, który jest magazynem konsumenckim, jednak znaczna część jego czytelników – czy to wcześniej zarażonych pasją do konstruowania kolumn, czy pod wpływem takiej lektury – jest pomiarami zainteresowana.
Czytelnicy EP są jeszcze bliżsi zagadnień technicznych, więc potrzeba prowadzenia pomiarów podczas projektowania zespołów głośnikowych będzie dla nich tym bardziej zrozumiała.
Głównymi adresatami tego opracowania mają więc być początkujący konstruktorzy, którzy jeszcze nie mają praktyki w prowadzeniu pomiarów, ale już tkwi w nich przekonanie, że warto je robić. Dlatego na system pomiarowy i metody wykorzystywane przez redakcję „AUDIO” spojrzymy pod tym kątem – użyteczności nie tylko do badania gotowych zespołów głośnikowych, ale też do ich projektowania.
O jakie dokładnie pomiary chodzi?
Niedoskonałość w działaniu głośnika objawia się wieloma rodzajami zniekształceń, z których żadnych nie można lekceważyć, jednak szczególną pozycję zarówno w tradycji pomiarów, jak i pod względem rzeczywistego znaczeniA, mają zniekształcenia liniowe – czyli zaburzenia charakterystyki częstotliwościowej. O ile w elektronicznych urządzeniach audio zostały one niemal całkowicie wyeliminowane (zapewnione zostało liniowe przetwarzanie pasma akustycznego), o tyle w głośnikach, słuchawkach, mikrofonach i gramofonach (a więc urządzeniach, które przetwarzają energię elektryczną na mechaniczną lub odwrotnie) pozostają wciąż na wysokim poziomie, znacząco wpływając na charakter i jakość dźwięku.
Przyjrzyjmy się strukturze zespołu głośnikowego. Bez względu na to, czy będzie to konstrukcja pasywna, czy aktywna, prawie na pewno w jej składzie będą dwa lub więcej głośników różnego typu, odpowiedzialnych za różne zakresy częstotliwości – czyli będzie to tzw. zespół wielodrożny.
Producenci samych głośników, w znaczeniu komponentów służących do konstruowania kompletnych zespołów głośnikowych, przykładają wagę do różnych parametrów, a charakterystyka częstotliwościowa jest tylko jedną z nich. Kiedy głośniki – komponenty – znajdują się już w rękach konstruktora, na pewne parametry (np. zniekształcenia nieliniowe) ma on już niewielki wpływ (chyba że będzie multiplikował określonego typu głośniki w systemie, zapewniając niski poziom wysterowania każdego z nich, a w ślad za tym obniżając poziom zniekształceń), a na niektóre – decydujący. Również dysponując głośnikami o „ładnych” charakterystykach, należy włożyć dużo pracy i umiejętności w uzyskanie dobrze zrównoważonej charakterystyki całego zespołu.
Czy projektowania na podstawie pomiaru charakterystyk przetwarzania nie można zastąpić symulacjami? Nawet dysponując wiarygodnymi charakterystykami samych głośników (udostępnionymi przez producenta) i charakterystykami elektrycznymi stosowanych filtrów, trudno dokładnie wyznaczyć wypadkową charakterystykę zespołu głośnikowego. Po pierwsze, trzeba wziąć pod uwagę, że charakterystyki „firmowe” mierzone są przy głośnikach zainstalowanych w dużych, standardowych odgrodach pomiarowych, a w naszej konstrukcji będą montowane do frontów (obudowy) o innych wymiarach; samo to ma już duży wpływ na charakterystyki „wyjściowe” i to jeszcze przed właściwym filtrowaniem, bowiem układ krawędzi dookoła głośnika wpływa na rozkład odbić i efekt „ucieczki” dłuższych fal do tyłu (przejście z promieniowania w warunkach półprzestrzeni do promieniowania w przestrzeni otwartej). Programy symulacyjne dają możliwość wprowadzenia odpowiednich korekt, przy regularnych kształtach frontu, poprzez deklarowanie jego wymiarów wraz z określeniem pozycji głośnika, jednak nie są pod tym względem w pełni elastyczne.
Działanie filtrów biernych trzeba ustalić z uwzględnieniem zmiennej charakterystyki impedancji obciążenia (głośników), a nie czystej rezystancji odpowiadającej impedancji znamionowej, co pewnie wszyscy wiedzą i co też da się uwzględnić w programach symulacyjnych. Jednak nasze doświadczenia z kilkoma takimi programami pozwoliły zaobserwować znaczące różnice w wynikach uzyskiwanych tą metodą oraz na drodze rzeczywistych pomiarów.
Sprawa komplikuje się jeszcze bardziej, gdy pod uwagę będziemy chcieli wziąć nie tylko charakterystykę z osi głównej, ale również te zmierzone pod innymi kątami. Tutaj zarówno charakterystyki dostarczone przez producenta, jak też kalkulacje i symulacje mogą okazać się dalece niewystarczające – można jednak posłużyć się metodą „kombinowaną” i taką polecamy na wstępnym etapie strojenia zwrotnicy. Polega ona na dokonaniu pomiarów charakterystyk głośników zainstalowanych w obudowie pod dowolnymi kątami (ale jeszcze niefiltrowanych), zaimportowanie ich do programu symulacyjnego, poddanie wirtualnemu filtrowaniu celem ustalenia charakterystyk wypadkowych. Nawet jeżeli nie będą one dokładnie zbieżne z rzeczywistymi charakterystykami, to pozwolą na szybki postęp prac, ułatwią eksperymenty z różnymi wariantami filtrowania, aż do uzyskania rezultatów na tyle satysfakcjonujących, że umożliwi to wykonanie prototypowej zwrotnicy („pająka”), której działanie zostanie zmierzone i… odsłuchane. Szlifowanie charakterystyk i brzmienia trzeba już wykonywać poprzez działanie na tym układzie i wymianę poszczególnych elementów.
Istnieją też bardzo zaawansowane systemy elektroniczne, które – podłączone do badanych głośników – symulują działanie rzeczywistych filtrów pasywnych, pozwalając dowolnie zmieniać ich konfiguracje i to w czasie rzeczywistym, co umożliwia dokonywanie i śledzenie dowolnych zmian, zarówno na mierzonych charakterystykach, jak i w brzmieniu. To jednak domena najlepiej wyposażonych firm, wykracza zatem poza poligon metod dostępnych na pograniczu działań amatorskich i profesjonalnych.
Chyba dostatecznie mocno uzasadniliśmy potrzebę dokonywania pomiarów, ale jeszcze zanim przejdziemy do praktycznych wskazówek, zrobimy mały wykład teoretyczny związany z ich historią i ogólnymi zasadami.
Zakładamy, że zespoły głośnikowe, które bierzemy tutaj pod uwagę, mają mieć zastosowanie głównie w domowych systemach audio; w takich warunkach powstaje wiele odbić i fal stojących, w znacznym stopniu wpływających na wypadkowe ciśnienie akustyczne – czy to w zaplanowanym miejscu odsłuchowym, czy też w każdym innym punkcie pomieszczenia. Do słuchacza docierają więc nie tylko fale biegnące bezpośrednio od zespołu głośnikowego, ale też odbite, znacznie wpływając nie tylko na wrażenia przestrzenne, ale też na charakterystykę częstotliwościową. Ponieważ jednak w każdym pomieszczeniu warunki są inne, nie ustandaryzowano metody pomiaru całej charakterystyki w arbitralnie przyjętym pomieszczeniu z jego specyficznymi rezonansami i przyjęto, że charakterystyki będące podstawą do oceny jakości, a przede wszystkim do porównywania zespołów głośnikowych, będą prowadzone zgodnie z zasadą eliminacji odbić i uwzględniania tylko fali biegnącej bezpośrednio z zespołu głośnikowego do mikrofonu, a więc w polu swobodnym: czyli w warunkach idealizowanych i niespełnionych w żadnym, nawet najlepiej zaadaptowanym akustycznie pomieszczeniu, ale jednoznacznie określonych. Jak jednak takie warunki stworzyć na użytek pomiarów?
Różni producenci budowali i wciąż budują tzw. komory bezechowe. Nazwa jest trochę myląca, bowiem echa nie mamy również w naszych pomieszczeniach mieszkalnych; chodzi nawet o coś więcej niż o zlikwidowanie pogłosu, gra toczy się o całkowite wyeliminowanie odbić. To kosztowny, ale najlepszy sposób na pomiar… większej części charakterystyki. Dla hobbystów i małych producentów, którzy komory bezechowej nigdy sobie nie zafundują, może to być mało ważne, ale warto wiedzieć, że nie ma komór bezechowych, które zapewniłyby bezbłędny pomiar w całym pasmie akustycznym; wytłumienie najniższych częstotliwości wymagałoby klinów (które pokrywają wszystkie ściany, sufit i podłogę komory) o długości kilkunastu metrów, co jest w praktyce niewykonalne. W swoim czasie największa w Europie komora bezechowa mieściła się w fabryce Tonsilu we Wrześni [1], a jej dolna częstotliwość graniczna wynosiła 50 Hz – poniżej pomiar był już zakłócony odbiciami. Większość komór bezechowych, średniej wielkości, ma dolną częstotliwość graniczną w okolicach 100 Hz, co w praktyce zupełnie wystarczy, bowiem najniższe częstotliwości można dobrze zmierzyć innym sposobem (o czym dalej), jak też wstępnie ustalić na drodze symulacji, więc inwestowanie fortuny w „pełnopasmowe” komory bezechowe nie ma sensu.
Przeszło trzydzieści lat temu, kiedy powstawały miesięczniki „Elektronika Praktyczna” i „AUDIO”, każdy, kto chciał rzetelnie zaprojektować zespoły głośnikowe, musiał mieć dostęp nie tylko do (chociaż niewielkiej) komory bezechowej, ale też do związanego z nią systemu pomiarowego. Dlatego hobbystyczne projekty często były dalekie od profesjonalnego poziomu, mimo wiedzy i wysiłków ich twórców. Od tego czasu dużo się zmieniło, pojawiły się metody i systemy pomiarowe, które można uruchomić nawet w średniej wielkości pokoju. Nie kosztują krocie i każdy, kto traktuje to hobby poważnie – a tym bardziej każdy, kto ma ambicje być choćby małym producentem – powinien się w nie zaopatrzyć. Ci, którzy się przed tym opierają, nie zdają sobie sprawy, jak ogromnie ułatwia to pracę, jak przybliża do dobrych efektów, pozwalając na podstawie obiektywnych kryteriów szybko odrzucać nieudane rozwiązania i skupiać się na udanych, dopiero na późniejszym etapie przechodząc do prób odsłuchowych, które ostatecznie wyłaniają zwycięzcę.
O tych metodach napiszemy w następnym odcinku.
Andrzej Kisiel
[1] Komora firmy Tonsil spłonęła 25 maja 2013 roku
