Subwoofery bierne i aktywne

Dobre przetwarzanie najniższych częstotliwości jest dla wielu użytkowników sprzętu Hi-Fi jednym z najważniejszych aspektów jakości odtwarzanego dźwięku. Pozbawienie muzyki odpowiedniej wagi niskich częstotliwości prowadzi do oczywistego zubożenia wrażeń odsłuchowych. Nie można w pełni wiernie odtworzyć brzmienia instrumentów, które pracują w tym zakresie (bębny, kontrabas, gitara basowa, stopa perkusji, niższe rejestry fortepianu, organów, itp.).

Okazuje się, że także instrumenty środka pasma (na przykład saksofon) i głosy wokalistów tracą swoją naturalną moc i barwę gdy pozbawimy je właściwego fundamentu. W przypadku ścieżek dźwiękowych filmów, biorąc pod uwagę coraz większą popularność systemów kina domowego, możliwość wypromieniowania dużych mocy w zakresie najniższych częstotliwości jest niezbędna. Bez niej nie zostałoby odtworzonych wiele efektów specjalnych, takich jak wybuchy, start odrzutowca, galopada, kroki dinozaura. Nic więc dziwnego, że na zakres ten zwraca się bardzo dużą uwagę. Jednak zapewnienie poprawnego odtworzenia najniższych częstotliwości pasma akustycznego jest jednym z największych elektroakustycznych problemów. Przy czym wąskim gardłem okazują się być zespoły głośnikowe.


Prawa fizyki

Aby wytworzyć odpowiednie natężenie w zakresie niskich częstotliwości, należy przepompować bardzo dużą objętość powietrza w jednym cyklu (iloraz powierzchni membrany i jej amplitudy określany jest jako wychylenie objętościowe). Wraz z obniżaniem się częstotliwości, zapotrzebowanie to gwałtownie rośnie. Na przykład, dla wypromieniowania przy częstotliwości 20Hz tej samej mocy, co przy częstotliwości 100Hz, należy przepompować 25 razy więcej powietrza w jednym cyklu, 1600 razy więcej niż przy częstotliwości 1kHz i 640000 razy więcej niż przy częstotliwości 20kHz! Tłumaczy to, dlaczego konstrukcje głośników wysoko- tonowych, średnio- tonowych i nisko- tonowych tak bardzo różnią się między sobą budową i przede wszystkim wielkością.

Aby przepompować określoną objętość powietrza, musimy albo zastosować membranę o dużej powierzchni, albo pozwolić na jej dużą amplitudę. W praktyce obydwie cechy idą ze sobą w parze. Duże głośniki nisko- tonowe mają jednocześnie dużą amplitudę skoku membran. Największe, 18-sto calowe (46cm) głośniki nisko- tonowe, mając membranę o powierzchni około 1300cm2 i amplitudę skoku membrany około 1,5cm mogą przepompować w jednym cyklu około 2 litrów powietrza! Natomiast typowy, 17cm głośnik nisko- średnio- tonowy dwudrożnej, kilkunastolitrowej kolumienki przepompować może tylko około 20 razy mniejszą objętość powietrza.


Duże głośniki, duże obudowy

Duże głośniki nisko- tonowe wymagają zwykle zastosowania odpowiednio dużych obudów, również głośniki niewielkiej średnicy, aby mogły pracować optymalnie w zakresie niskich częstotliwości, nieraz wymagają stosunkowo dużej objętości (dokładna analiza parametrów głośnika i wynikających z nich parametrów obudowy jest bardzo obszernym działem wiedzy o głośnikach i nie będzie tu przybliżana). Wniosek jest jednak prosty: zapewnienie efektywnego przetwarzania najniższych częstotliwości jest zwykle zarówno kosztowne jak i kłopotliwe z powodu wielkości kolumny głośnikowej dobrze przetwarzającej basy.

Drugi z tych problemów znajduje przynajmniej częściowe rozwiązanie dzięki pomysłowi zastosowania urządzenia głośnikowego nazywanego subwooferem, a więc głośnika super nisko- tonowego, który działa w obudowie niezależnej od podstawowego zespołu głośnikowego. Jeden subwoofer może obsługiwać obydwa kanały systemu stereofonicznego lub systemu dźwięku dookólnego, a ponadto może być ustawiony dość dowolnie. Są to niewątpliwe jego zalety. Podstawowe zespoły głośnikowe zostają zwolnione z przetwarzania najniższych częstotliwości, więc nie muszą być bardzo duże, a przez to można je wygodniej ustawić w miejscach akustycznie najodpowiedniejszych, natomiast duży subwoofer może zostać ustawiony na przykład pod ścianą, gdzie nie będzie przeszkadzał domownikom.


Znaczenie długości fali akustycznej

Gdy promieniowana przez głośnik fala akustyczna jest znacznie dłuższa niż średnica membrany (co ma miejsce w przypadku niskich częstotliwości), wówczas rozchodzi się wszechkierunkowo. Odbicia od ścian pomieszczenia powodują, że do słuchacza dociera ciśnienie akustyczne z wielu stron, utrudniając, bądź wręcz uniemożliwiając dla najniższych częstotliwości lokalizację źródła promieniowania (lokalizację głośnika). W praktyce panorama stereofoniczna, lub dźwięku dookólnego, tworzona jest więc w przeważającej mierze przez dźwięki z zakresu częstotliwości średnich i wysokich.

Należy jednak być ostrożnym przy wyciąganiu wniosków z tego faktu, bowiem jeśli gitara kontrabas został nagrany w lewym kanale, to czyż nie lokalizujemy go w lewym kanale? Jednak tak, mimo wspomnianych właściwości rozprzestrzeniania się częstotliwości najniższych. Dlaczego? Spektrum częstotliwościowe kontrabasu nie leży tylko w zakresie częstotliwości niskich, są w nim wyższe składowe, pochodzące na przykład od szarpnięć strun. Te składowe dają się łatwo zlokalizować w źródle, które je promieniuje, a w ślad za nimi nasze ucho (a w zasadzie cały układ psychoakustyczny) lokalizuje cały kontrabas. Aby uzyskać taki efekt, najniższe częstotliwości mogą być jednak przetwarzane przez inny głośnik. Nasz zmysł słuchu może zostać oszukany przez wyższe składowe, ponieważ nie może dokładnie zlokalizować źródła najniższych częstotliwości.


Problem zgodności fazy sygnału akustycznego

Wszechkierunkowość promieniowania fal niskich częstotliwości nie jest wystarczającym warunkiem prawidłowego współdziałania subwoofera z głośnikami głównymi. Założenie wszechkierunkowego promieniowania jest bowiem spełnione już w zakresie około 300Hz, ale działanie systemu subwoofer - satelity z częstotliwością podziału w tym zakresie jest słabe, akustyczna integracja poszczególnych zakresów nie jest właściwa.

Problem ten wynika z zależności fazowych między poszczególnymi głośnikami, współpracującymi w przetwarzaniu całego pasma akustycznego. W zespole głośnikowym głośniki działają w określonej konfiguracji elektryczno- mechanicznej, tak aby w zakresach częstotliwości podziału promieniowały w fazach zgodnych. Długość fali 300Hz wynosi około 115cm, to znacznie więcej, niż średnica membrany nawet bardzo dużego głośnika nisko- tonowego (stąd spełniony jest warunek promieniowania fali kulistej), ale 1/2 tej fali to już tylko około 58cm, a na takim dystansie następuje więc przesunięcie fazy o 180º. Oznacza to, że przy częstotliwości podziału 300Hz, przesunięcie subwoofera do przodu lub do tyłu, względem głośników satelitarnych i słuchacza, wywołuje przesunięcie fazy o 180º w zakresie, w którym obydwie części systemu powinny zgodnie współpracować.

Choć możemy znaleźć wiele miejsc, w których będzie pracował prawidłowo (współdziałanie z głośnikami satelitarnymi odbywać się będzie w zgodnej fazie z punktu widzenia słuchacza), to ustawienie subwoofera nie jest zupełnie dowolne. Niedogodność tę możemy zmniejszać, a swobodę ustawienia subwoofera zwiększać, gdy obniżymy częstotliwość podziału (współdziałające fale będą znacznie dłuższe, i trudniej będzie o szkodliwe przesunięcia fazowe, na przykład 1/2 fali 100Hz ma już długość około 1,7m). Można też zawsze odwrócić fazę subwoofera, nawet jeżeli nie ma specjalnego przełącznika lub układu przesuwnika fazy, przez zamianę miejscami przewodów doprowadzających sygnał sterujący. Nie jest to więc problem nierozwiązywalny, ale wskazane są eksperymenty z ustawieniem i sposobem podłączenia.


Ściany i związane z nimi odbicia fali akustycznej

Kolejnym ciekawym zjawiskiem związanym z promieniowaniem fal niskich częstotliwości jest zmiana ich natężenia powodowana bliskością powierzchni odbijających. Gdybyśmy zawiesili subwoofer na środku pokoju, pomiędzy sufitem a podłogą, efektywność jego pracy byłaby najniższa. Jeśli postawimy go na podłodze, nadal na środku pokoju, natężenie niskich częstotliwości wzrośnie dwukrotnie. Jeśli jednocześnie przysuniemy nasz subwoofer do ściany, natężenie niskich częstotliwości wzrośnie czterokrotnie, a jeżeli do naroża to aż ośmiokrotnie (wniosek jest taki, że każda powierzchnia odbijająca daje dwukrotny wzrost natężenia). Wynika stąd, że można w dużym zakresie regulować poziom niskich częstotliwości za pomocą ustawienia. Znaczenie mieć będzie nawet to, w którą stronę zwrócony będzie głośnik lub otwór obudowy i jak można się domyślać, jeśli zwrócony będzie w stronę otwartej przestrzeni pokoju, w stronę słuchacza, wówczas natężenie niskich tonów będzie niższe, niż gdy zwrócony będzie w stronę ściany czy podłogi.


Opcja pierwsza - minimalne wymiary, minimalna jakość, maksymalna wygoda

Spotykamy się z bardzo różnymi realizacjami i sposobami wykorzystania subwoofera. Kilkanaście lat temu zaczęły zyskiwać dużą popularność systemy sub-sat zestawy składające się z pary bardzo małych zespołów satelitarnych przetwarzających zakres średnich i wysokich częstotliwości i jednego subwoofera, raczej średniej wielkości, przeważnie z obudową pasmowo- przepustową (głośniki ukryte wewnątrz). Z faktu, że w układach takich satelity są bardzo małe, a więc mają małe głośniki średnio- tonowe (do 12cm), które nie mogą być obciążane dużą mocą w zakresie niskich częstotliwości, wynika, że częstotliwość podziału między satelitami a subwooferem jest relatywnie wysoka, około 200Hz.

Wiążą się z tym wymienione wcześniej problemy z właściwą integracją akustyczną systemu. Subwoofery takich układów, również dość skromne, także nie są zwykle mistrzami w przetwarzaniu najniższych częstotliwości i nie działają w tym zakresie wcale lepiej, niż przeciętnej wielkości, kilkunastolitrowe zespoły głośnikowe. Układy takie nie mają jednak najczęściej wielkich ambicji audiofilskich. Są one adresowane do tych, dla których kłopotem jest ustawienie pary nawet średniej wielkości zespołów głośnikowych. Sposób podłączenia takich prostych układów polega zwykle na doprowadzeniu sygnału pełno- pasmowego ze wzmacniacza do gniazd wejściowych subwoofera, za którymi ulega on rozdzieleniu. Poprzez filtry dolno- przepustowe biegnie dalej do głośników subwoofera, a poprzez filtry górno- przepustowe do gniazd wyjściowych, które łączy się z gniazdami wejściowymi satelitów. Subwoofer pełni więc w tym przypadku również rolę centrali rozdzielającej sygnał na odpowiednie podzakresy.


Opcja druga - maksymalne wymiary, maksymalna jakość, maksymalna cena

Na drugim biegunie, jakościowym, cenowym i funkcjonalnym, znajdują się bardzo duże i drogie subwoofery, które mają za zadanie wspomagać główne zespoły głośnikowe w zakresie ekstremalnie niskich częstotliwości. W układach takich główne kolumny wcale nie są ułomne w przetwarzaniu niskich częstotliwości, a dodatkowy subwoofer lub subwoofery mają za zadanie uzupełnić pasmo akustyczne o skrajnie niskie częstotliwości, umożliwiając wytwarzanie w tym zakresie dużych natężeń. Mimo bardzo niskich częstotliwości podziału, w układach takich występują najczęściej dwa subwoofery, niezależne dla każdego kanału stereofonicznego. Jak można sobie wyobrazić, walory funkcjonalne nie mają tutaj wielkiego znaczenia, a wszystko zmierza do osiągnięcia absolutnie doskonałego przetwarzania najniższych częstotliwości.


Dobieranie właściwych proporcji

Pomiędzy tymi skrajnościami - miniaturowymi systemami sub-sat, i monstrualnymi systemami o masie nawet kilkuset kilogramów, rozciąga się ogromna przestrzeń małych, średniej wielkości i dużych zespołów głośnikowych, którym można pomóc w przetwarzaniu basu za pomocą dodatkowego subwoofera lub subwooferów. Zanim jednak zaczniemy pomagać, musimy pamiętać o znanej lekarskiej maksymie mówiącej aby przede wszystkim nie szkodzić. W tym przypadku oznacza to, że subwoofer powinien mieć wyraźnie większe możliwości w zakresie niskich częstotliwości, niżej sięgające pasmo przetwarzania, niż główne zespoły głośnikowe, z którymi ma współpracować.

Powinno się unikać współdziałania subwoofera i zespołu głośnikowego w szerokim zakresie częstotliwości, gdyż wiązać się to będzie z możliwością pojawiania się niezgodności fazy, a wówczas ciśnienie z obydwu źródeł, zamiast się dodawać, będzie się odejmować i wypadkowe natężenie, przy pewnych częstotliwościach, może być niższe, niż z samych kolumn głównych, bez udziału subwoofera. Wypadkowa charakterystyka częstotliwościowa w zakresie basu będzie w takich przypadkach nierówna. O ile więc miniaturowym satelitom pomóc może choćby mały subwoofer, to dla średniej wielkości, wolnostojących kolumn powinien być on odpowiednio większy.

Jeżeli uzupełniamy posiadane już zespoły głośnikowe o dodatkowe subwoofery, należy rozważyć, czy i ewentualnie jak odciążyć głośniki główne od przetwarzania tego zakresu częstotliwości, którym teraz zajmą się subwoofery. Im niżej ustalimy częstotliwość podziału tym łatwiej będzie zintegrować system, a brzmienie będzie spójne i zrównoważone. Im wyżej ustalimy częstotliwość podziału tym bardziej odciążymy głośnik nisko- średnio- tonowy głównych kolumn, tym będzie on bezpieczniejszy przy dużych dostarczonych mocach. Określenie właściwej częstotliwości podziału zależy od wielkości i właściwości subwoofera, a przede wszystkim głośników nisko- średnio- tonowych w głównych zestawach głośnikowych.


Subwoofer aktywny i kino domowe

Procesory dźwięku dookólnego mają specjalne, dodatkowe wyjścia sygnałowe (sygnał przed wzmocnieniem) do sterowania subwoofera, który jest przewidziany w koncepcji systemów wielo- głośnikowych. Subwoofer aktywny ma ogromną przewagę nad klasycznym subwooferem biernym. Subwoofer aktywny to urządzenie wzmacniająco- głośnikowe. Jest sterowane sygnałem niskonapięciowym i posiada własny, wbudowany wzmacniacz mocy. Subwoofer aktywny pozwala na dokonywanie pewnych operacji na sygnale jeszcze przed jego wzmocnieniem. Można na przykład dowolnie ustalić charakterystykę częstotliwościową wraz z górną częstotliwością graniczną, a więc założoną częstotliwością podziału między subwooferem a głośnikami głównymi, ustawić fazę i oczywiście wzmocnienie. Daje to ogromne pole manewru i pozwala na znacznie łatwiejsze zintegrowanie subwoofera z pozostałymi głośnikami, niż w przypadku subwoofera biernego o sztywnych parametrach, gdzie wszystko, co możemy zrobić, to odwrócić polaryzację, przekładając końcówki kabla i poszukiwać najlepszego ustawienia.

Subwoofery aktywne są urządzeniami znacznie droższymi od klasycznych subwooferów biernych, a mimo to systematycznie wypierają je z rynku. Ich zalety są bardzo przekonujące, eliminują wiele problemów, które zniechęcały do zakupu subwooferów biernych. Ponadto, o ile w systemach stereofonicznych, przeznaczonych tylko do odsłuchu muzyki, duże ciśnienia w zakresie najniższych częstotliwości są pożądane tylko sporadycznie, i ostatecznie możemy się bez nich obejść, to właściwe odtworzenie ścieżki dźwiękowej wymaga nieraz wytworzenia silnych wibracji, użycia przy tym odpowiedniej mocy elektrycznej, która nie powinna zostać zabrana z podstawowego wzmacniacza, który i tak nieźle się już poci nad zasilaniem pozostałych głośników systemu.


Z subwooferem czy bez?

Subwoofer jest urządzeniem pożytecznym, ale nie niezbędnym. Jeżeli posiadamy parę dobrych zespołów głośnikowych, nie wpadajmy w kompleksy. Posiadacze tanich systemów sub-sat słyszą z nich znacznie mniej niż my, choć mogą się cieszyć z funkcjonalnej miniaturyzacji systemu. Jeżeli myślimy jednak o wzbogaceniu naszego systemu o subwoofer, myślmy o tym poważnie. Musimy być pewni, że interesujący nas subwoofer lepiej przetwarza niskie częstotliwości, niż posiadane już kolumny, tylko wówczas jego podłączenie ma sens. Sama nazwa subwoofer wcale tego nie gwarantuje. Praw fizyki oszukać się nie da! Aby wytworzyć duże ciśnienie w zakresie niskich częstotliwości, trzeba przepompować dużo powietrza.

Z drugiej strony nie ma takich zespołów głośnikowych, których przetwarzania basu nie można poprawić za pomocą odpowiednio dużego, właściwie dobranego subwoofera. Przeprowadźmy doświadczenia, poszukując najlepszego ustawienia subwoofera z akustycznego punktu widzenia. Wskazówka, że subwoofer można ustawić w dowolnym miejscu, jest bardzo ogólna. Subwoofery aktywne pozwalają na większą swobodę w ustawieniu, gdyż pozwalają na dokonanie ważnych regulacji ułatwiających akustyczną integrację z pozostałymi głośnikami. Zwróćmy uwagę nie tylko na ilość basu i jego rozciągnięcie, ale i na jego jakość, czy jest odpowiednio rytmiczny, sprężysty, szybki, czy nie gra na jedną nutę. Słabe głośniki nisko- tonowe i słabe subwoofery mogą mieć zdolność wytwarzania dużych natężeń niskich tonów, ale będą one jednobarwne, dudniące, nieczytelne. Zróbmy test, czy po włączeniu subwofera brzmienie kontrabasu jest tak samo wyraźne (to nie to samo, co potężne), jakie było bez jego pomocy? Jeśli nie, szukajmy dalej. Dobry bas to nie tylko efektowne wibracje ale również klarowność i dobra kontrola.