Aktywnie, czy pasywnie, oto jest pytanie....
Poniżej jest odpowiedź na nie..
Zaczniemy od parametrów wzmacniacza.
Jednym z tych parametrów po którym poznajemy dobry wyrób jest wysokość współczynnika tłumienia.
Jest to cyfra określająca, ile razy rezystancja wyjściowa danego wzmacniacza jest mniejsza od
nominalnej impedancji obciążenia. Dobre wzmacniacze charakteryzują się wartością tego
współczynnika grubo powyżej 100.
Aby uzmysłowić wpływ tego parametru, proponuję przeprowadzenie następującego doświadczenia:
jeśli macie dwie kolumny, w jednej z nich odłączcie przewody od głośnika basowego, a głośnik
zamocujcie na swoje miejsce. Na drugą kolumnę poprzez wzmacniacz podajcie sygnał o f 40 - 50 Hz,
kolumny ustawcie obok siebie.
Na pewno widzicie że w obu kolumnach membrany drgają z prawie taką samą amplitudą.
Teraz odkręćcie nie podłączony głośnik i zewrzyjcie jego punkty podłączeniowe, po czym wkręćcie go
na swoje miejsce. Powtórzcie doświadczenie. Zapewne zauważyliście, że bierny (zwarty) głośnik teraz
drga dużo mniejszą amplitudą.
Tak jak zwarte zaciski, tak na głośnik działa wzmacniacz, minimalizując między innymi wadę głośnika
wynikającą z jego częstotliwości rezonansowej.
Teraz zajmijmy się zwrotnicami, na początek dolnoprzepustową, która nie zależnie czy jest to 6,12 cz
18 dB/oct, wymaga włączenia szeregowo z głośnikiem indukcyjności w rozpiętosci od 20 mH do 5 mH.
W przypadku cewek powietrznych (bez rdzenia), wymaga to od 300 do ok. 900 zwoi drutu, który
posiada przecież swoją rezystancję.
Taka cewka , w zależności od średnicy użytego drutu, może mieć od 0,5 do 2 omów, i jest włączona
szeregowo do rezystancji wyjściowej wzmacniacza. W takim przypadku na tłumienie głośnika ma
decydujący wpływ szkodliwa rezystancja zwrotnicy.
Jeżeli zwrotnica określa tłumienie na poziomie od 2 do 16, to czy wzmacniacz ma ten współczynnik
wynoszący 50, czy kilka tysięcy, nie ma większego znaczenia.
Tak to wygląda, gdy patrzymy na układ od strony głośnika.
Inaczej to wygląda od strony wzmacniacza, gdyż układ zwrotnica + głośnik potrafi zmieniać swoją
impedancję w zależności od częstotliwości i jakości zwrotnicy w zakresie 0,5 do 2 razy (lub więcej),
określonej jako znamionowa. W tym przypadku współczynnik tłumienia ma znaczenie, minimalizując
zmiany amplitudy sygnału wyjściowego w zależności od parametrów obciążenia.
Należy także pamiętać, że w czasie pracy zmienia się położenie cewki w szczelinie magnesu, co ma
wpływ na indukcyjność własną głośnika, a straty mocy podnoszą temperaturę cewki, co nie jest bez
znaczenia na rezystancję własną głośnika. Te zmieniające się w trakcie pracy głośnika parametry
mają stosunkowo niewielki wpływ na pracę ze zwrotnicą 6 dB/oct, natomiast przy filtrach 12, i 18
dB/oct, gdzie występują pojemności, wpływ tych parametrów wnosi trudne do wyeliminowania
dodatkowe czynniki pogarszające emitowany przez ten głośnik dźwięk.
Jak więc widać, do wad samego przetwornika, jakim jest głośnik, dodajemy wady zwrotnicy.
Tyle w uproszczeniu o zakresie basów, teraz zajmę się najważniejszym z punktu fizjologii, zakresem
emitowanego przez zestaw głośnikowy zakresu częstotliwości ,środkiem pasma.
Przyjmuje się że zakres słyszalności ludzkiego ucha zawiera się od ok.20 Hz do ok 20000 Hz. Jednak
nie w całym tym zakresie jednakowo czule słuch ludzki odbiera te dźwięki, preferując zakres od
ok.200 Hz do ok. 3500 Hz, jest to tzw. zakres najwyższej percepcji, gdzie nasz słuch jest szczególnie
wyczulony, wyłapując nawet minimalne nieprawidłowości.
Zwrotnice górno-przepustowe w zakresie 200 - 400 Hz, wymagają kondensatorów o dużej
pojemności i odpowiednio wysokiej jakości. Takie podzespoły używane są tylko przez bardzo drogich
producentów, z poza zasięgu możliwości finansowych zdecydowanej większości potencjalnych
nabywców w naszym kraju.
Ta
zdecydowana większość Polaków skazana jest na kondensatory tzw. elektrolityczne bipolarne , lub
mniej albo bardziej rozbudowane układy z użyciem kondensatorów elektrolitycznych spolaryzowanych.
Najmniejsze zniekształcenia wprowadzają zwrotnice o nachyleniu 6 dB/oct, lecz przy niskich
częstotliwościach podziału grozi sytuacja, że pewny zakres częstotliwości w pobliżu f. podziału jest
emitowany przez dwa głośniki. Ponieważ zwrotnice wprowadzają przesunięcie fazy, następuje zjawisko
dodawania się lub odejmowania pewnych częstotliwości. Ponad to istnieje możliwość uszkodzenia
mechanicznego głośnika średniotonowego, gdyż jego konstrukcja mechaniczna (z reguły) nie
przewiduje amplitud wychyleń membrany ponad 2 mm, oraz to, że ten głośnik przeważnie ma moc
RMS na poziomie do 50% głośnika basowego, co z kolei przy pojawieniu się na nim pełnej mocy
wzmacniacza, grozi jego spaleniem.
Część tych niekorzystnych zjawisk da się ograniczyć stosując ostrzejszy filtr ,12 lub 18 dB/oct (nie
dotyczy ryzyka spalenia zbyt dużą mocą), lecz wpadamy w pułapkę bardzo trudnych do przewidzenia i
wyeliminowania zjawisk związanych z wzajemnym oddziaływaniem na siebie zmiennych parametrów
głośnika (indukcyjność własna cewki, rezystancja, impedancja w zależności od częstotliwości) i
elementów konstrukcyjnych zwrotnicy, oraz wzrostu zniekształceń które te zwrotnice wprowadzą.
Bywa, że głośnik średniotonowy, chyba za karę, obciążony jest wadami aż dwóch zwrotnic, bo
dodatkowo górnozaporową, przy podziale z głośnikiem wysokotonowym. Jeżeli głośnik środkowy jest
ograniczony od góry zwrotnicą 6 dB/oct, to jest on w najmniejszy możliwy sposób obciążony tą
zwrotnicą.
W ten sposób w zestawie pasywnym najważniejszy głośnik w kolumnie, jest najbardziej popsuty.
Ponieważ producenci, ustalając potrzebną moc RMS głośnika wysokotonowego stosują
współczynnik:60 - 30 -10, gdzie zakłada się pobór mocy w proporcjach 60% - bas, 30% - środek, 10
głośnik wysokotonowy, posiada on z reguły moc RMS, na poziomie 10% mocy znamionowej kolumny. Aby zwiększyć bezpieczeństwo musi być zastosowana zwrotnica 18 dB/oct, lub minimum 12 dB/oct,
czyli zwrotnice wnoszące najwięcej niespodzianek.
Należy także pamiętać, że filtry nie są siekierką odcinającą określone częstotliwości. Przesterowany
sygnał wychodzący ze wzmacniacza nawet na częstotliwości 1000 Hz, może mieć nachylenie zbocza
(sygnał prostokątny) odpowiadające częstotliwości kilku kilohercy. W takim przypadku na głośniku
wysokotonowym pojawić się mogą impulsy o bardzo dużej amplitudzie (szpilki) z częstotliwością 1000
Hz, niszcząc mechanicznie membrankę lub zrywając cewkę.
Aby wyeliminować opisane wyżej sytuacje, należy przenieść filtry, określające zakres emitowanych
przez głośniki częstotliwości, przed wzmacniacze mocy, poddając tym samym zbawiennemu
oddziaływaniu na głośniki współczynnika tłumienia wzmacniacza. Filtry elektroniczne pozwalają na
uzyskiwanie nachyleń zbocza na poziomie 24 i więcej dB/oct, przy nierównościach charakterystyki w
pobliżu punktu odcinania na poziomie nie większym niż 0,5 dB, pozwalając równocześnie na niewielkie
korekcje poprawiające liniowość emitowanego zakresu częstotliwości.
Wadą tego rozwiązania jest konieczność stosowania kilku wzmacniaczy mocy, lecz dzisiaj nie jest to
Wielki problem, przy tak niskich cenach wzmacniaczy mocy, jak kiedyś.
Są już oferowane urządzenia, gdzie w jednej obudowie jest elektronika i głośniki.
Wbrew pozorom kolumny aktywne nie muszą być droższe od tych pasywnych w tej samej klasie
jakościowej i mocy, można nawet uzyskać dużo lepsze efekty za mniejsze pieniądze, gdyż do
konstrukcji kolumny aktywnej można użyć nieco gorszych głośników, i mniej wyrafinowanych
wzmacniaczy mocy.
Zyskujemy też w takiej konstrukcji dużo większe bezpieczeństwo pracy głośników, ponieważ nie ma
najmniejszych problemów konstrukcyjnych aby wzmacniacze wyposażyć w kompresory dynamiki
zabezpieczające poszczególne głośniki przed zbyt dużą mocą, wprowadzając kilka razy
mniejsze zniekształcenia, niż najlepiej skonstruowana zwrotnica pasywna.
Ponad to konstruktor może zastosować głośniki bez względu na ich impedancję, lub sprawność,
stosując dodatkowo elektroakustyczne sprzężenie zwrotne.
Jest jeszcze jeden plus takiego rozwiązania.
W układzie pasywnym bez zniekształceń można wykorzystać do 25% mocy
znamionowej, najlepszego nawet wzmacniacza. Układ aktywny o tej samej mocy sumacyjnej (suma
mocy wszystkich kanałów) jest w stanie wydobyć z tych samych głośników maksymalną moc
akustyczną o 50 do 100% większą, z dużo większym bezpieczeństwem.
Dzieje się to dzięki możliwości lepszego, w zależności od przetwarzanego pasma, wykorzystania
poszczególnych wzmacniaczy, gdyż zmniejsza się konieczność rezerwowania mocy dla odtworzenia
dynamiki, ale o tym w dalszej części .
Wspomniałem poprzednio, że do konstrukcji układu aktywnego nie ma konieczności stosowania wyrafinowanych wzmacniaczy. Powodem tego jest brak pojawiania się impedancji obciążenia niższej
od znamionowej, co ma niestety miejsce w kolumnach pasywnych.
Dlaczego?
Wyjaśnienie poniżej.
Wspomniałem poprzednio, że może się zdarzyć zmniejszenie impedancji wejściowej
układu głośnik- zwrotnica nawet do połowy imp. znamionowej, a mamy przecież w tym zakresie
częstotliwości z reguły dwie zwrotnice, górno i dolnozaporową, połączone równolegle z punktu
widzenia wzmacniacza.
Ponad to pomiar impedancji w funkcji częstotliwości, jest pomiarem nijak mającym się do rzeczywistej
impedancji, gdyż jest pomiarem syntetycznym, gdzie w danej chwili przez głośniki odtwarzana jest
jedna częstotliwość podawana z generatora. Sygnał elektryczny zasilający kolumnę w czasie
eksploatacji przypomina bardziej szum różowy, a śmiałbym twierdzić że nawet biały. Wyobraźmy
sobie taką sytuację.
Lubimy słuchać naszą ulubiona muzykę nieco głośniej. Potężny bas zmusił do pracy głośnik basowy,
wokalistka obdarzona niesamowitym sopranem dała popis swoich możliwości, uruchamiając głośnik
średniotonowy, natomiast (elektroniczny) perkusista próbował połamać w tym momencie pałki na
talerzach, co pobudziło do pracy głośnik wysokotonowy. W dużym uproszczeniu, z punktu widzenia
wzmacniacza podłączone zostały trzy głośniki, każdy o impedancji 8 Ohm, co daje wypadkową ok.3 Ohm.
Jeżeli do tego dołożymy wymagania wywołane wadami zwrotnic, to wzmacniacz musi być w
stanie obsłużyć kolumnę pasywną chwilowo, mocą wielokrotnie większą od deklarowanej w katalogu.
W przypadku układu aktywnego, każdy wzmacniacz musi uporać się tylko z jednym głośnikiem, bez dodatkowego obciążenia zwrotnicami, zatem wymagania postawione przed nim są o wiele mniejsze niż w przypadku opisanym wyżej w kolumnie pasywnej.
Zdecydowana większość wzmacniaczy oferowanych na naszym rynku nie jest w stanie podołać takim
wymaganiom, nawet tych ze znanymi napisami, ale z najniższej półki cenowej, z serii „niskobudżetowych „ ,bo albo zadziała automatyka przeciw przeciążeniowa, albo kondensatory posiadają zbyt małą pojemność, albo
uniemożliwia to zbyt oszczędna konstrukcja, lub wszystkie te czynniki występują razem.
Aby dokładnie uzmysłowić omawiana kwestię, przeanalizowałem wariant rozkładu mocy w przypadku kolumny z podziałem pasywnym dla mocy 1000W.
Głośniki w układzie : 2 szt 12 cali o spl = 98 dB/szt, oraz driver 2 cale/ 8 om, o spl = 109 dB, podział 1500 Hz.
Ponieważ mamy dwa głośniki 12 cali/ 8 omów, wypadkowa impedancja to 4 omy, i spl = 101 dB.
Aby dopasować poziom głośności drivera do głośników 12 calowych, należy zastosować tłumik o wartości ok 5dB,
mowa tu o mocy, zatem tłumik ten będzie redukował napięcie wyjściowe ze zwrotnicy ok 1/1,78 .
Zakładamy, że określonym momencie driver musi wyemitować dźwięk pobierając np: 7 Watów.
Aby uzyskać taką moc potrzeba ok 7,3 V, występującego na zaciskach drivera, czyli na wyjściu tłumika.
Zatem napięcie na wejściu tłumika to: 7,3v x 1,78 = ok 13 volt napięcia zasilającego.
Tutaj trzeba wytłumaczyć pewną sprawę, w jaki sposób jest miksowany sygnał zasilający wzmacniacze, a jest
dodawany sygnał najwyższych częstotliwości do sygnału niższych. Oglądany na oscyloskopie taki zsumowany przebieg ma kształt „tasiemki”, o amplitudzie tych 13 wolt, wygiętej w kształt sygnału o niskiej częstotliwości.
Zatem te 13 volt, jest "na wierzchu", czyli należy odjąć te napięcie od amplitudy maksymalnej tego wzmacniacza,
potrzebnej do uzyskania mocy maksymalnej.
Zakładając iż jest to wzmacniacz 1000W/4 omy, to potrzeba ok 63 volty ( w obu przypadkach podaję napięcia
SKUTECZNE).
Odejmijmy te 13 volt od 63, więc zostało 50 V, co da 625 WATÓW!!!!
Zatem do wyliczeń spl max, kolumny z podziałem pasywnym, należy przyjąć zbliżoną wartość (od 60 d0 70% mocy
nominalnej), a nie moc nominalną wzmacniacza, 1000W...
Jak widać na przedstawionym przykładzie, chcąc uzyskać ok 7 wat mocy na driverze, w kolumnie z podziałem
pasywnym, należy "poświęcić" ok 375 watów mocy wzmacniacza.
Jeśli macie łącznie np: 4 takie kolumny, to zastosowanie aktywnego podziału, generuje koszty ok 1000 - 1200 zł, ale
pozwala "odzyskać" z wzmacniaczy "środkowych"
4 x 375 = 1500W!!!!
do zasilenia samych głośników 12 calowych, co dałoby zwiększenie spl kalkulacyjnego o ok 2 dB.
Podany przykład jest oczywiście "mocno uproszczony", ale pokazuje zjawisko, a ewentualne "odstępstwa" nawet
gdyby sięgały 50%, to i tak prawda byłaby tylko nieco mniej szokująca, trzeba poświęcić ok 180 watów mocy
wzmacniacza, aby driver wyemitował 7 WATÓW!!!
jasiński k