Zestawy głośnikowe

Jak wiadomo, dobre odtwarzanie audycji dźwiękowych wymaga, oprócz dobrego akustycznie pomieszczenia, również i dobrych zestawów. Ważne jest też samo źródło dźwięku, a raczej jakość materiału dźwiękowego, gdyż tego czego w tym materiale nie będzie, nie odtworzy żaden zestaw w najdoskonalszym nawet pomieszczeniu.

Użytkownik ma zwykle duże trudności przy wyborze zestawów optymalnych ze względu na indywidualne potrzeby i możliwości eksploatacyjne. Jeśli wybór zestawów ze względu na wielkość, kolor obudowy, czy inne walory estetyczne nie sprawia większych kłopotów, to już właściwy wybór ze względu na parametry sprawia istotne trudności. Na ogół pod uwagę bierze się jedynie moc i impedancję znamionową. Mimo to, już na przykład wybór ze względu na moc może budzić istotne wątpliwości.


Zapotrzebowanie na moc - efektywność zestawów głośnikowych

Przyjmuje się, że maksymalny poziom ciśnienia dźwięku potrzebny do odtworzenia na przykład muzyki o dynamice 65dB w pomieszczeniu o poziomie hałasu 40dB wynosi 105dB. Poziom mocy akustycznej, którą trzeba wypromieniować do pomieszczenia dla uzyskania wymaganego poziom ciśnienia dźwięku zależy głównie od jego objętości i własności akustycznych (odbić i tłumienia fal akustycznych). Aby wyznaczyć potrzebną moc należy wziąć pod uwagę objętość pomieszczenia oraz deklarowaną przez producenta efektywność zestawu głośnikowego, a raczej uzależniona od niej sprawność. Producenci zwykle deklarują średni poziom ciśnienia dźwięku (zwane efektywnością) zmierzone w odległości 1m przy pobudzeniu zestawu mocą elektryczną o wartości 1W. Efektywność zestawu deklarowaną przez producenta odczytać można z tabliczki znamionowej, lub danych katalogowych zestawu głośnikowego.

Zmniejszenie efektywności zestawów głośnikowych o 3dB lub zwiększenie poziomu ciśnienia dźwięku w pomieszczeniu o 3dB wymaga podwojenia mocy wzmacniacza. Podobnie, dopuszczenie poziomu ciśnienia dźwięku niższego o 3dB, lub zakup zestawów o efektywności wyższej o 3dB, pozwala zastosować wzmacniacz o dwukrotnie niższej mocy. Ponieważ moc elektryczna zestawów głośnikowych będzie podobna do mocy wzmacniacza, to gdy zechcemy słuchać muzyki z większą dynamiką, lub zastosować zestawy o mniejszej efektywności, przyjdzie nam zapłacić podwójnie - za moc wzmacniacza i moc zestawów głośnikowych.


Obciążalność zestawów głośnikowych

Zestawy głośnikowe charakteryzują się bardzo niską sprawnością rzędu 0,4% czy 0,6%. Niestety, przetwarzanie energii elektrycznej w energię dźwięku odbywa się z niewielką sprawnością. Na przykład przeciętna sprawność 0,5% oznacza, że w zestawie zasilanym mocą 100W aż 99,5W zostanie zamienione w niepożądane ciepło, a tylko 0,5W dostarczonej energii stanowić będzie użyteczną moc akustyczną.

Jednym z kryteriów stosowanych przy ocenie zestawów głośnikowych jest ich moc. Zgodnie z definicją, moc znamionowa zestawu głośnikowego pozwala jedynie wnioskować o długotrwałych skutkach eksploatacji zestawu z dużą mocą. Moc znamionowa zestawu głośnikowego nie mówi nam nic o innych jego parametrach, takich jak na przykład zniekształcenia czy subiektywna jakość dźwięku, a o maksymalnej głośności zaś powiedzieć może tylko w powiązaniu z jego efektywnością oraz objętością pomieszczenia.

Powszechnie uważa się, że zestawy nie będą przeciążane, jeśli tylko ich moc będzie wyższa od mocy wzmacniacza. Nie jest to słuszne, gdyż na przykład wzmacniacz o mocy 50W może nawet łatwiej uszkodzić zestaw głośnikowy o mocy 100W, niż wzmacniacz o mocy 200W. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest to, że wzmacniacz małej mocy, przy wyższym poziomie głośności jest łatwiej przesterować niż wzmacniacz o dużej mocy. Przy przesterowaniu wzmacniacza mocy występuje obcinanie wierzchołków przebiegu (tak zwany clipping).

Nieporozumienia z mocą mogą powstać i z innego powodu. Jeśli mamy na przykład zestaw głośnikowy o mocy 100W i znamionowym paśmie częstotliwości od 40Hz do 20kHz, to nie oznacza to wcale, że zestaw można obciążyć mocą 100W przy każdej częstotliwości z tego zakresu. Próba obciążenia zestawu głośnikowego już tylko mocą 10W przy częstotliwości 10kHz może doprowadzić do jego uszkodzenia. Bierze się to stąd, że owe 100W jest mocą szumu różowego i w specyficzny sposób obciąża zestaw jednocześnie w całym paśmie częstotliwości akustycznych. A więc w tym samym czasie pobudzane i obciążane są wszystkie głośniki zestawu. Suma tych obciążeń w całym paśmie daje moc 100W. Oczywiście, żaden z głośników nie jest obciążany mocą równą 100W. Moc obciążająca poszczególne głośniki jest mniejsza i zależy od tego jaki obszar częstotliwości dany głośnik pokrywa oraz jak szerokie jest pasmo tych częstotliwości. Rozdział pasma zależy od tak zwanej częstotliwości podziału zwrotnicy, a więc od konstrukcji zestawu głośnikowego.

Obciążalność zestawów limitowana jest nie tylko mocą, czyli dopuszczalną temperaturą cewek głośników, ale również mechanicznie, ze względu na dopuszczalne wychylenie membrany. Duże wychylenia układu drgającego są zwykle krytyczne w zakresie poniżej 100Hz, dotyczą więc głośników nisko- tonowych. Maksymalne wychylenie membrany ograniczają zwykle dwa czynniki. Są to jakość zawieszenia i centrowania układu drgającego oraz stosunek szerokości nawoju cewki do długości szczeliny magnetycznej. Zawieszenie membrany tworzy zewnętrzny pierścień którym membrana przytwierdzona jest do kosza. Zawieszenie ma umożliwić membranie jedynie ruch do przodu lub do tyłu i jednocześnie zapobiec ruchom na boki. Centrowanie cewki w szczelinie magnetycznej zapewnia głownie tak zwany resor, który powinien zapewnić aby cewka, nawet w skrajnych wychyleniach pozostawała w środku szczeliny. Zawieszenie i resor powinny także zapewnić powrót układu drgającego do położenia spoczynkowego zaraz po zaniku pobudzenia.


Zwrotnice głośnikowe i podział pasma akustycznego

Zwrotnica częstotliwości ma za zadanie podzielić zakres akustyczny na kilka pasm przeznaczonych dla odpowiadających im głośników w ten sposób, aby uzyskać w sumie możliwie najlepszą równomierność odtwarzania przez zestaw wszystkich częstotliwości w deklarowanym paśmie w sposób nie przeciążający poszczególnych głośników. Zwrotnice zbudowane są głównie z cewek, kondensatorów i rezystorów. Elementy te tworzą struktury odpowiednich filtrów dolno-, środkowo- i górno- przepustowych dla poszczególnych obszarów pasma akustycznego. Poszczególne częstotliwości przechodząc przez te filtry podlegają różnym tłumieniom i podlegają znacznym nieraz przesunięciom fazowym, co powoduje powstanie różnic w czasach przejścia dla poszczególnych częstotliwości. Efekty te zauważalne są słuchowo zwłaszcza w obszarze poniżej 2kHz (gdyż przy wyższych częstotliwościach mają mniejsze wartości) i powodują pogorszenie właściwości impulsowych oraz pogarszają przestrzenność dźwięku.

Przesunięcia fazowe na granicach pasm są zwykle na tyle duże, że w obszarze wspólnym poszczególne głośniki mogą nawet drgać w przeciwnych fazach, co powoduje osłabienie promieniowania w tym zakresie. Zgodność faz można przywrócić przez zmianę polaryzacji sterowania głośników. Zniekształcenia fazowe są dokuczliwe szczególnie wtedy, gdy powodują znaczniejszą zmianę charakterystyki odtwarzania. Stan taki może zaistnieć wskutek nieuniknionych różnic w odległości pomiędzy poszczególnymi głośnikami w zestawie, a punktem odsłuchu. Jeśli głośnik nisko- tonowy odtwarza przebieg podstawowy, a głośniki średnio- i wysoko- tonowy odtwarzają harmoniczne tego przebiegu, to do opóźnień wprowadzanych przez zwrotnicę dołączą się opóźnienia spowodowane niejednakową odległością głośników, a w efekcie w punkcie odsłuchu może nastąpić istotna zmiana wzajemnych relacji fazowych w sygnale, co użytkownik odczuje jako zafałszowanie postrzeganego dźwięku.


Własności impulsowe i charakterystyka wybrzmiewania

Jedną z bardziej pożądanych właściwości zestawów jest zdolność do poprawnego odtwarzania impulsów. Jest ona uwarunkowana właściwościami głośników, obudowy i pomieszczenia odsłuchowego. Jeśli do głośnika zostanie doprowadzony impuls (sygnał o skokowym naroście), to membrana nie wychyli się natychmiast, stosownie do powstałej siły, ale z pewnym opóźnieniem, stosownie do bezwładności układu drgającego. Podobnie, gdy sygnał zaniknie nagle, to membrana nie zatrzyma się natychmiast ale dopiero po pewnej chwili, najczęściej po wykonaniu kilku coraz mniejszych wychyleń wokół położenia spoczynkowego. Dobry głośnik powinien mieć możliwie krótkie czasy narostu i zaniku wychyleń membrany, a więc pojawiania się i zaniku dźwięku gdyż tylko wówczas muzyka i mowa będą wiernie odtwarzane gdyż składają się one z szybko zmieniających się impulsów.

Dobre własności impulsowe mają zazwyczaj głośniki o dużych, silnych magnesach i lekkich, optymalnie tłumionych układach drgających, które nie wykazują do tego rezonansów własnych, na przykład wskutek dzielenia się membrany. W zakresie wysoko- tonowym od głośników z membraną stożkową lepsze są zazwyczaj głośniki z membraną kopułkową, gdyż ich membrany są zwykle lżejsze i mają mniejsze skłonności do dzielenia się i rezonansów własnych.

W zakresie nisko- i średnio- tonowym dużą rolę odgrywa obudowa i rezonans masy drgającej. Właściwie dobrana pojemność obudowy z optymalnie dobraną ilością materiału tłumiącego pozwalają na dostateczne stłumienie rezonansu i dzięki temu na skrócenie czasu zaniku. Nadmiernie silne tłumienie głośnika nisko- tonowego osłabia jednak basy, podobnie działa też nadmiernie silny magnes. Bardzo lekkie membrany głośników nisko- czy średnio- tonowych są zwykle mało sztywne, łatwo się dzielą, a poszczególne części wykazują silne rezonanse własne. Podobny efekt daje zbyt wiotkie zawieszenie membrany, gdyż ułatwia ono jej dzielenie się.

Należy tu zauważyć, że własności impulsowe zestawów są silnie uzależnione od częstotliwości, między innymi ze względu na zwrotnicę i zastosowanie kilku zróżnicowanych głośników. Rezonanse obudowy, oraz głośników lub ich części powodują wydłużenie czasu zaniku, co oznacza, że elementy drgające później wracają do stanu równowagi, a więc odtwarzać będą jeszcze stary impuls, gdy już pojawił się nowy.

Własności impulsowe, jak mało które inne własności, silnie zależą od poziomu pobudzenia. Przy odtwarzaniu muzyki występują krótkie, silne impulsy o mocy maksymalnej przekraczającej 50 i więcej razy moc średnią dla wybranej głośności. Współpracujące wzmacniacze dość łatwo mogą sprostać tym potrzebom, również i cewki głośników nie spalą się od razu. Jednak silne impulsy dość łatwo przeciążają głośniki mechanicznie, a doprowadzona moc elektryczna nie jest przekształcana w odpowiadający jej ruch membrany, czyli w moc akustyczną. Dzieje się tak między innymi ze względu na bezwładność masy drgającej, hamowanie spowodowane przez zawieszenie i resor, oraz inne czynniki. W efekcie następuje kompresja dynamiki, która jest zwykle tym większa, im mniejsza jest powierzchnia czynna membrany, oraz im bardziej średnia moc bieżąca zbliżona jest do mocy znamionowej zestawu.