Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Fascynacja komplikacją - część 1

Fascynacja komplikacją - część 1
W jednym z ostatnich numerów "Audio" ukazał się obszerny test dwóch konstrukcji głośnikowych - Adante AF-61 (firmy Elac) i Criterion CTL2100 (firmy T+A). Wymienieni producenci nie są znani na rynku sprzętu popularnego, tymczasem pozostają bardzo zasłużeni dla rozwoju techniki audio. Elac zaczynał jako producent wkładek gramofonowych, ale od dawna jego oferta jest zdominowana przez zespoły głośnikowe. T+A debiutował jako specjalista od kolumn, a później dodał do nich dużo innych urządzeń - głównie wzmacniaczy i odtwarzaczy.

Najnowsze kolumny głośnikowe obydwu firm dowodzą, że nie straciły one wigoru, kreatywności oraz przekonania, iż wciąż warto poszukiwać nowych rozwiązań. Ich konstruktorzy upodobali sobie zwłaszcza niekonwencjonalne systemy obudów, tym bardziej wyróżniające się na tle kolumn innych firm, że zazwyczaj stosuje się dzisiaj "zwykłe" bas-refleksy, ewentualnie jeszcze prostsze obudowy zamknięte, nie wdając się w eksperymenty. T+A od dawna doskonali obudowy typu linia transmisyjna, a Elac od... niedawna - obudowy pasmowo-przepustowe.

W tym numerze MT zajmiemy się obudową Adante AF-61, w następnym - Criterion CTL2100.

Oryginalne rozwiązania skupiają się we wnętrzach obudów, a nie w ich formach zewnętrznych - te są bliskie regularnym prostopadłościanom, dość nowoczesne, lecz niekuszące niezwykłymi kształtami, które zresztą często niczego oryginalnego w środku nie zawierają. Niemieckie "skrzynki" wyglądają zwyczajnie, są za to wyjątkowo skomplikowane w środku. Właśnie forma prostopadłościanu ułatwia realizację oryginalnych konstrukcji wewnętrznych - podziału obudów na wiele komór i tuneli, z czym wiąże się wprowadzenie wielu przegród.

Niewiele firm inwestuje dzisiaj w projektowanie i wykonywanie obudów z liniami transmisyjnymi i akustycznymi filtrami pasmowo-przepustowymi, co wymaga znacznie więcej doświadczenia, pracy i materiałów. Czy warto w to brnąć, skoro prostsze systemy obudów też mogą zapewniać bardzo dobre rezultaty? Niekonwencjonalne (z dzisiejszej perspektywy) obudowy mają jeszcze walor sentymentalny - nawiązują do epoki, w której technika głośnikowa, zarówno w sferze obudów, przetworników, jak i konfiguracji bujnie się rozwijała, a projektanci odważnie eksperymentowali.

Trzeba jednak przyznać, że wiele pomysłów się nie sprawdziło, i to z różnych powodów.

Obudowy "przekomplikowane" były kosztowne, a nie gwarantowały wymiernie lepszych rezultatów niż systemy oparte na solidnych przetwornikach i konstrukcyjnie prostych, dobrze zestrojonych bas-refleksach. Tym drugim bardzo pomogło przygotowanie i szeroka dostępność metod projektowania (strojenia) opartych na parametrach T-S, przeniesionych do symulacji komputerowych. Okazało się - i wniosek ten podziela zarówno większość hobbystów-amatorów, jak i inżynierów w najpoważniejszych firmach - że łatwość zestrojenia prawidłowo działającego bas-refleksu w zasadzie eliminuje z obszaru ich zainteresowań inne rozwiązania. Niektóre z egzotycznych systemów były z gruntu błędne, inne - bardzo trudne do optymalnego zestrojenia, a jeszcze inne - łatwe do zaprojektowania, lecz kosztowne w wykonaniu.

Elac Adante AF-61

AF-61, tak jak wszystkie Adante, nie są kolejnym logicznym etapem na długiej drodze ewolucji techniki Elaca. Ani system band-pass, ani membrana bierna nie były wcześniej przez tę firmę szeroko stosowane (a może i w ogóle?) - pojawiły się niedawno, wraz z osobą Andrew Jonesa.

Adante są najnowszym punktem nowego programu, ukazującego kreatywność, autorytet i akustyczne poglądy nowego głównego konstruktora. Jego pierwsze konstrukcje dla Elaca były niedrogie i dość konwencjonalne (seria Debut), potem opracował serię Uni-Fi/Uni-Fi Slim, w której już mocniej zaznaczył swoje upodobania - wprowadził układy koncentryczne. Teraz mamy projekty z jeszcze wyższej półki, które zawierają technikę nazwaną przez firmę (a raczej przez Andrew Jonesa) Interport-Coupled Cavity.

Coupled Cavity to termin wprowadzony wiele lat temu przez inną firmę - KEF-a, odnoszący się do obudów wykorzystujących jeden z wielu możliwych wariantów ogólniejszego systemu pasmowo-przepustowego. Tak się składa, że w tamtym czasie konstruktorem KEF-a był właśnie Andrew Jones… Dodatek Interport oznacza zastosowanie dodatkowego tunelu łączącego dwie komory, pomiędzy którymi znajduje się głośnik. I taka wersja została wprowadzona już przez KEF-a, bodajże w ostatniej generacji serii Reference, która w ogóle miała Coupled Cavity. Jednak w żadnej z konstrukcji KEF-a nie zastosowano - zamiast otworu prowadzącego ciśnienie na zewnątrz - membrany biernej. Trzy 20-centymetrowe jednostki, które wyglądają na głośniki niskotonowe AF-61, to właśnie membrany bierne. Ani jedna z nich nie jest "aktywnym" głośnikiem. Co więc napędza membrany bierne? Głośniki, które są ukryte w środku.

Sekcja niskotonowa zawiera trzy systemy pasmowo-przepustowe, jednakowe pod względem podstawowych parametrów akustycznych, chociaż nieco różnie "poukładane" (ze względu na dostępne miejsce w obudowie). Każdy składa się z dwóch komór rozdzielonych przegrodą, w której zainstalowano zarówno głośnik 17-cm, jak i parę tuneli (one właśnie są "interportami"). Jedna z tych komór ma też 20-centymetrową membranę bierną, widoczną na przedniej ściance. W ten sposób ciśnienie zarówno z głośnika, jak i z "interportu" pobudza układ rezonansowy komory z membraną bierną, który działa jak filtr dolnoprzepustowy - z nachyleniem 2. rzędu odfiltrowuje częstotliwości wyższe od swojej częstotliwości rezonansowej. Podobnie działałby bardziej konwencjonalny układ band-pass z otworem (zamiast membrany biernej), ale membrana bierna ma swoje dodatkowe zalety - łatwiej ją nisko dostroić, nie ma własnych rezonansów tunelowych i stanowi lepszą (chociaż nie idealną) barierę dla rezonansów pasożytniczych z komory.

Zastosowanie membran biernych przynosi też dwie inne korzyści - konstrukcja wygląda z zewnątrz znacznie poważniej, niż gdyby "na wierzchu" pozostawał tylko układ koncentryczny i kilka otworów, a ponadto znika potencjalny problem instalacji głośników wewnątrz obudowy. Membrany bierne są od nich większe, stąd ich otwory montażowe są dostatecznie duże, aby przeszły przez nie kosze głośników niskotonowych; nie ma konieczności przykręcania jakichkolwiek elementów obudowy dopiero po montażu głośników.

Zastanawiające (i godne pochwały) jest też to, jak bezkompromisowo konstruktor podszedł do sprawy podziału obudowy na trzy autonomiczne sekcje. Uzyskując takie same podstawowe parametry, mógł "zebrać" wszystkie trzy głośniki, wszystkie interporty (albo jeden odpowiednio większy) i wszystkie trzy membrany bierne w jeden dwukomorowy układ (o objętości takiej samej, jak łączna objętość trzech zastosowanych sekcji). Podział na trzy mniejsze ma jednak dwie zalety. Po pierwsze, przesuwa szkodliwe rezonanse fal stojących wyżej, poza zakres pracy wyznaczony podstawowymi parametrami układu band-pass. Po drugie, wprowadzenie wielu przegród wzmacnia obudowę. Własną (już niewielką) komorę zamkniętą ma głośnik średniotonowy (koncentrycznego modułu średnio-wysokotonowego).

Band-pass w skrócie

Obudowa band-pass, mimo że skomplikowana i występująca w wielu wariantach, dość szybko dała się oswoić. Mogą ją projektować nawet hobbyści; dzisiaj za pomocą powszechnie dostępnych programów, a wcześniej - wzorów i tabelek.

Jej projektowanie opiera się bowiem na tym samym zestawie parametrów, jaki jest potrzebny do projektowania bas-refleksów. To z kolei doprowadziło do szybszego i ostatecznego wyjaśnienia, jakie są możliwości obudowy pasmowo-przepustowej, we wszelkich jej odmianach. Ponieważ możliwości te nie oznaczały oczekiwanych korzyści, więc w obliczu jej skomplikowania w zasadzie zniknęła ona z konstrukcji wielodrożnych systemów głośnikowych. Mimo to warto sobie przypomnieć, "jak to działa", bo w pewnych sytuacjach właściwości tego systemu mogą okazać się lepsze od innych.

Najprostszy band-pass składa się z dwóch komór - jednej zamkniętej, drugiej z otworem (tunelem). Głośnik znajduje się w wewnętrznej przegrodzie, a więc energia od jednej strony membrany jest wytłumiana (w komorze zamkniętej), a od drugiej pobudza układ rezonansowy (komory z otworem, który tworzy rezonator Helmholtza - jak w bas-refleksie).

Układ promieniuje więc energię z charakterystyką częstotliwościową podobną jak obudowa bas-refleks, ale bez promieniowania bezpośrednio od głośnika (od przedniej strony membrany). Charakterystyka ta zależy zarówno od parametrów głośnika, jak i od wpływu na tę charakterystykę obydwu komór (które podniosą częstotliwość rezonansową fs i dobroć Qts) oraz od własnej częstotliwości rezonansowej komory z otworem. Będzie to charakterystyka od dołu ograniczona charakterystyką samego głośnika (pracującego w określonych warunkach), a od góry - układu rezonansowego komory z otworem, bowiem taki układ, podobnie jak bas-refleks, jest dolnoprzepustowym filtrem akustycznym. Oznacza to, że "przepuszcza" częstotliwości poniżej rezonansu, blokując te znajdujące się powyżej. A ponieważ filtrowanie górnoprzepustowe pochodzi od charakterystyki samego głośnika, stąd cały układ ma właściwości pasmowo-przepustowe (pasmo ograniczone z dwóch stron), z nachyleniem 12 dB/okt. 

Aby jednak uzyskać dobre rozciągnięcie i odpowiedź impulsową, trzeba utrzymać niski rezonans fc i niską dobroć Qtc, co nie jest łatwe w warunkach zamknięcia między dwiema komorami, zwłaszcza gdy mają niewielką objętość. Dlatego częściej wspominane są inne zalety obudowy pasmowo-przepustowej. Filtrujące działanie obudowy pozwala teoretycznie wyeliminować ze zwrotnicy elektrycznej filtr dolnoprzepustowy - o ile wystarczy nam nachylenie 12 dB/okt. Takie zwykle by wystarczyło, jednak filtr akustyczny nie jest równie pewny w swoim działaniu jak filtr elektryczny (obudowa i tunel generują rezonanse pasożytnicze, więc dodanie filtra elektrycznego w praktyce i tak staje się konieczne; poza tym wybór częstotliwości rezonansowej obudowy - a więc częstotliwości, powyżej której nastąpi spadek - nie jest zupełnie dowolny).

Gdy chce się uzyskać ładną charakterystykę, leży ona w zakresie niskich częstotliwości, więc takie filtrowanie sekcji niskotonowej możliwe jest tylko w układach, gdzie planuje się ustalenie niskiej częstotliwości podziału (a więc głośnik średniotonowy jest odpowiednio wytrzymały). W sumie ta właściwość (filtrowania dolnoprzepustowego) raczej utrudnia, niż ułatwia, zadanie konstruktorowi.

1. Po lewej - przekrój obudowy mniejszej, podstawkowej, konstrukcji AS-61. Po prawej - przekrój fragmentu AF-61. Na przekroju AS-61 widać komorę średniotonowego, taką samą ma AF-61 (poza "kadrem"). Górna część AF-61 (najwyżej położony układ band-pass i komora średniotonowego) została żywcem przeniesiona z AS-61. Pozostałe dwa układy band-pass mają nieco inaczej zaaranżowane tylne komory, ale takie same objętości odpowiednich komór.

Koniec końców jest wreszcie "coś", co stanowi jednoznaczną zaletę układów pasmowo-przepustowych. W obudowie zamkniętej częstotliwość rezonansowa głośnika rośnie z fs do fc. Można powiedzieć, że układ drgający jest hamowany przez zmniejszenie podatności i w zakresie najniższych częstotliwości nie jest narażony na bardzo duże amplitudy (w każdym razie są one mniejsze, niż gdyby głośnik nie został w ogóle zabudowany). Z kolei w obudowie bas-refleks, w okolicach ustalonej częstotliwości rezonansowej obudowy, następuje efekt niemal całkowitego "wyhamowania" ruchu membrany, ale poniżej tego rezonansu, w zakresie najniższych częstotliwości, głośnik nie czuje "oparcia" w obudowie, powietrze przechodzi swobodnie przez otwór, a układ drgający jest narażony na tak duże amplitudy, jakby nie znajdował się w żadnej obudowie.

2. Para głośnik-membrana bierna. Mniejsza komora (z przodu) wraz z membraną bierną tworzy dolnoprzepustowy filtr akustyczny 2. rzędu. Zamiast membrany biernej mógłby pracować otwór, ale z membraną działanie filtra jest skuteczniejsze, wygląd - bardziej efektowny, a montaż głośników wewnątrz obudowy - łatwiejszy. Zarówno głośnik, jak membrana bierna mają odlewane kosze.

Obudowa pasmowo-przepustowa, składająca się z komory zamkniętej i komory z otworem, łączy wpływy obydwu komór na głośnik, a więc ogranicza wychylenie zarówno w zakresie najniższych częstotliwości (wpływ komory zamkniętej), jak i w wybranym zakresie częstotliwości rezonansowej (komory z otworem).

Pozwala to dostarczyć do głośnika dużą moc i uzyskać wysoki poziom ciśnienia akustycznego, chociaż tylko w dość wąskim zakresie. Taki schemat jest nazywany obudową pasmowo-przepustową zamkniętą (jako że jedna z komór jest zamknięta, to oczywiście druga musi mieć otwór, skoro głośnik znajduje się w środku). Obudowa pasmowo-przepustowo otwarta ma już otwory w obydwu komorach; trzeba je jednak dostroić bardzo precyzyjnie do różnych częstotliwości, aby ciśnienia promieniowane przez obydwa nie nakładały się w zakresach, w których znajdują się w przeciw fazie (przecież obydwie komory są równocześnie "zasilane" falami tych samych częstotliwości, będących dokładnie w przeciw fazie, bo pochodzących od dwóch stron membran). Taka obudowa może rozszerzyć zakres pracy i odciążyć głośnik od dużych amplitud w dwóch wybranych zakresach (ale już nie przy najniższych częstotliwościach, gdzie głośnik przepompowuje swobodnie powietrze przez obydwie komory i ich otwory). Będzie miała jednak gorszą odpowiedź impulsową - w zakresie najniższych częstotliwości zachowuje się podobnie jak bas-refleks, pokazując zbocze dążące do 24 dB/okt.

Jeszcze inna odmiana to band-pass z interportem (zastosowany w Adante). Do układu obudowy pasmowo-przepustowej zamkniętej zostaje wówczas dodany tunel (port) w przegrodzie pomiędzy komorami (w tej samej, w której znajduje się głośnik), co wywołuje powstanie dodatkowego układu rezonansowego, składającego się z wypadkowej podatności obydwu komór i masy powietrza w "interporcie", również odciążającego układ drgający głośnika w ustalonym zakresie. Można też taki system obserwować jako układ bas-refleks (komora "za" głośnikiem), do którego "przed" głośnikiem i otworem dodano komorę z kolejnym otworem - filtruje ona równocześnie promieniowanie z głośnika i otworu umieszczonego wewnątrz. Są też jeszcze bardziej skomplikowane band-passy, które da się łączyć kaskadowo, wywoływać kolejne rezonanse i w ten sposób zwiększać wydajność systemu, przy stosowaniu głośników o umiarkowanej wielkości i mocy.

Andrzej Kisiel

Zobacz także:

Układ dwuipółdrożny
Wyrafinowanie prostoty czy upór godny lepszej sprawy?
Na wszystkie strony