Głośniki

Głośniki są niezbędnym elementem toru akustycznego. Od ich jakości zależy jakość dźwięku. Niektórzy mówią, iż jest ot najważniejszy element toru, bowiem ze względu na wysoką jakość elektroniki, różnice pomiędzy poszczególnymi wzmacniaczami czy odtwarzaczami CD są mniejsze niż pomiędzy różnymi kolumnami. Mimo olbrzymiego postępu techniki, konstrukcja głośnika nie zmieniła się. Owszem, stosuje się coraz lepsze materiały membran, coraz mocniejsze magnesy głośników, lepsze zwrotnice czy obudowy - ale nadal jest to głośnik dynamiczny ze swoimi zaletami i wadami. Inne konstrukcje to doskonałe głośniki elektrostatyczne, ale są one bardzo drogie i też mają kilka wad. Nowa technologia zwana NXT, - czyli drgające panele sterowane procesorem nie są jeszcze zbyt rozpowszechnione i nie odtwarzają dźwięku z jakością Hi-Fi, (chociaż Mission chwali się pierwszymi zespołami głośnikowymi w tej technologii o dźwięku Hi-End). Tak elektrostaty jak i NXT słabo przetwarzają  najniższe częstotliwości i zwykle są  uzupełnione o dynamiczny głośnik niskotonowy. 

Konstrukcja głośników.Nie tak dawno w sprzęcie popularnym spotykaliśmy jeden głośnik "szerokopasmowy", który teoretycznie obsługiwał całe pasmo słyszalne. Wprowadzenie stereofonii, a potem standardu Hi-Fi wymusiło na producentach stosowanie wysokiej jakości głośników i podział pasma akustycznego na dwie części (lub więcej) - wysokotonową i średnio-niskotonową. Każde pasmo obsługiwane jest przez oddzielny głośnik, o konstrukcji dostosowanej do przenoszonego pasma.

Jak działa głośnik dynamicznyGłośnik składa się z magnesu, w którego polu magnetycznym umieszczona jest cewka składająca się z uzwojenia nawiniętego na sztywnym karkasie. Prąd zmienny przepływający przez cewkę wytwarza zmienne pole magnetyczne, które oddziałuje ze stałym polem magnetycznym magnesu powodując ruch cewki - do wewnątrz lub na zewnątrz, w zależności od kierunku przepływu prądu. Do ruchomej cewki przymocowana jest membrana, zawieszona w taki sposób by mogła poruszać się wzdłuż osi głośnika nie ocierając się o inne jego części. Służy do tego celu zawieszenie membrany w postaci elastycznego krążka (resora) w pobliżu magnesu i odpowiednio ukształtowanego obrzeża membrany (lub specjalnego pierścienia pośredniego) przymocowanego do kosza głośnika. Głośnik wysokotonowy ma jedno zawieszenie. Drgania membrany wywołują fale dźwiękowe odbierane przez nasze uszy. Niektórzy producenci (Kef, Tannoy, Cabasse) stosują "dwa, a nawet trzy w jednym", czyli głośnik średnio-niskotonowy, wewnątrz którego umieszczony jest głośnik wysokotonowy. Taka konstrukcja pozwala na uzyskanie lepszej stereofonii i lokalizacji źródeł dźwięku dlatego, iż głośnik staje się punktowym źródłem emisji fali dźwiękowej w całym paśmie.Jak widzimy idea jest prosta, a konstrukcja nieskomplikowana. Ale, żeby dźwięk wytwarzany przez głośniki był doskonałej jakości, producenci muszą pokonać wiele trudności związanych tak z elektroniką, fizyką jak i akustyką. I dopiero stosowanie odpowiednich konstrukcji i materiałów (czasem "kosmicznych") daje nam dźwięk odpowiedniej jakości.

Charakterystyka.
Jeżeli głośnik dynamiczny zostanie przytwierdzony do bardzo dużej odgrody akustycznej (ekranu) i zasilony przebiegiem zmiennym o stałej wartości napięcia, ale zmiennej częstotliwości, to mierząc ciśnienie akustyczne na osi głośnika otrzymamy charakterystykę jak poniżej. Na tej charakterystyce możemy wyróżnić cztery zakresy oznaczone poprzez odcinki: AB, BC, CD, DE. Jak widzimy, głośnik przenosi najlepiej (najbardziej liniowo) częstotliwości leżące pomiędzy punktami CD. Przy wyższych częstotliwościach charakterystyka jest bardziej nierównomierna, i głośnik traci stopniowo zdolność do wytwarzania fal dźwiękowych. Odcinek BC charakterystyki odpowiada zakresowi rezonansu układu drgającego głośnika. Rezonans powstaje w wyniku zawieszenia układu o określonej masie, na sprężystych zawieszeniach. W tym zakresie sprawność głośnika jest największa, lecz wierność odtwarzania jest mała. W zakresie częstotliwości rezonansowej dźwięk jest mocno "podbity", czyli głośniejszy. Na odcinku AB widzimy, że ciśnienie akustyczne gwałtownie maleje wraz ze spadkiem częstotliwości. Spadek ten jest różny dla różnych głośników, najczęściej wynosi on 12-18 dB/oktawę. Konstruktorzy starają się poszerzyć maksymalnie liniową część charakterystyki głośnika, a także zmniejszyć rezonans i nierówności charakterystyki.
Głośniki, które spotykamy w konstrukcjach domowych możemy podzielić na 5 rodzajów:

1. Głośnik subniskotonowy. Przenosi on sygnały o częstotliwościach 20-30 Hz do 200-300 Hz. Stosowany jest w niektórych kolumnach dużej mocy (i rozmiarów) a najczęściej w subwooferach, czyli specjalnych konstrukcjach kolumn, które mają za zadanie przenosić tony najniższe. Subwoofery kojarzą się nam z kinem domowym, ale coraz częściej wkraczają w krainę Hi-Fi.
2. Głośniki niskotonowe. Przenoszą sygnały do 1500 Hz.
3. Głośniki średnio-niskotonowe. Przenoszą sygnały do 4000-5000 Hz.
4. Głośniki średniotonowe. Przenoszą sygnały o częstotliwościach od 400-1000 Hz do 5000-8000 Hz.
5. Głośniki wysokotonowe. Przenoszą sygnały o częstotliwościach od 4000-6000 Hz do 15 - 25 kHz.

W większości konstrukcji stosowane są tylko dwa głośniki - nisko-średniotonowy i wysokotonowy. Bardziej rozbudowane mają po kilka rodzajów odpowiednio zestrojonych głośników.

Konstrukcja głośnika dynamicznego.
Konstrukcja głośników nisko i średniotonowych może być różna, ale najczęściej spotykane mają membranę w kształcie stożka. Na środku membrany widzimy kopułkę przeciwpyłową (wklęsłą lub wypukłą). W droższych konstrukcjach spotykamy mały stożek. Jest to korektor fazy, który ma za zadanie poprawić charakterystykę fazową promieniowania dźwięku. Tańsze konstrukcje mają nakładkę przeciwpyłową w tym kształcie, która "udaje" prawdziwy korektor fazy. Po czym je odróżniamy? Korektor fazy jest przymocowany na stałe do magnesu głośnika (co komplikuje konstrukcję), natomiast nakładka przeciwpyłowa porusza się wraz a membraną. Membrany wykonuje się z różnych materiałów. Najczęściej spotykane są membrany papierowe (celuloza), nasączane różnymi substancjami. Ważną role odgrywają też tworzywa sztuczne jak np. polipropylen. W droższych konstrukcjach stosuje się też bardzo lekki i trwały, o charakterystycznej żółtej barwie kevlar, włókna węglowe, metal (aluminium) różne odmiany szkła i inne często bardzo egzotyczne materiały. Wbrew pozorom wszystkie te egzotyczne materiały nie zastąpiły całkowicie "poczciwej" celulozy, która uszlachetniana różnymi dodatkami i nasączana specjalnymi substancjami jest chętnie wykorzystywana nawet w drogich konstrukcjach. Jeżeli przyglądamy się dokładniej głośnikom, to zauważymy, że niektóre mają nierówną powierzchnię, a czasem wyglądają jakby je pomalował pędzlem jakiś szalony malarz. W ten sposób konstruktorzy starają się zmniejszyć rezonanse i fale stojące na powierzchni membran. O jakości głośnika decyduje nie tylko jakość membrany, ale także magnes i cała konstrukcja. W porównaniu z konstrukcjami sprzed kilkunastu-kilkudziesięciu lat, magnesy są o wiele mocniejsze, tak, że mały głośnik oddawać może dużą moc. W droższych konstrukcjach stosuje się obudowy (kosze) odlewane z różnych stopów metali, które zmniejszają przenoszenie drgań poprzez obudowę. Tańsze mają kosze wytłaczane z blach.
Głośniki wysokotonowe  
mają kształt stożka (rzadziej) lub kopułki - wypukłej lub wklęsłej. Materiałem najczęściej używanym na membranę jest jedwab lub inne płótno, nasączone odpowiednią substancją. Dają one miękki, ciepły dźwięk. Dużą popularność zyskały także metale: aluminium i tytan (często pozłacane lub pokrywane tlenkami w celu zmniejszenia rezonansu). Ich dźwięk jest jasny i szybki, czasem zbyt suchy. W droższych konstrukcjach firmy stosują własne rozwiązania i materiały.
Podczas pracy w cewce głośnika wytwarza się ciepło. Jest ono odprowadzane poprzez magnesy i obudowę do wnętrza kolumny. Jeżeli odprowadzanie jest niewystarczające, uzwojenie cewki ulega przepaleniu. Dlatego w droższych konstrukcjach spotykamy chłodzenie cewki cieczą dobrze przewodzącą ciepło tzw. ferrofluidem. Zastosowanie ferrofluidu ma także wadę - tłumi i zmniejsza szybkość poruszania się membrany, co odbija się na szybkości przekazywania dźwięku.
Oprócz "klasycznej" budowy głośnika wysokotonowego spotykamy także głośniki wstęgowe, w których elementem wytwarzającym dźwięk jest bardzo lekka membrana ze specjalnych tworzyw, drgająca w szczelinie magnesu. Na membranie napylona (naklejona)  jest ścieżka z metalu (np. aluminium) w kształcie meandrów lub spirali, przez którą przepływa prąd wytwarzający zmienne pole magnetyczne. Głośniki wstęgowe dają dźwięk lekki, szybki, o małych zniekształceniach i oddają dobrze szczegóły w cichych partiach utworu muzycznego.  Mają wyższą sprawność niż głośniki dynamiczne, rzędu 90 dB.
Bywają konstrukcje kolumn z użyciem głośników tubowych. W głośnikach tubowych lekka membrana o małej średnicy jest umieszczona w komorze sprzężonej z tubą, stanowiącą część głośnika. Konstrukcję taką spotykamy tak w głośnikach nisko i średnio jak i wysokotonowych. Głośniki tubowe charakteryzują się dużą sprawnością rzędu 20%, dlatego znajdują zastosowanie w sprzęcie profesjonalnym, estradowym. 
Zjawiska zachodzące w głośnikach są bardzo skomplikowane. Obiektywne zbadanie wszystkich zjawisk i ujęcie ich w jakieś wzory czy parametry jest złożone i nie gwarantuje sukcesu. O jakości głośnika więcej decyduje renoma producenta, niż porównywanie danych katalogowych, a udana konstrukcja kolumny głośnikowej jest wynikiem badań technicznych, praktycznych prób i odsłuchów końcowych.

Podstawowe parametry.

Impedancja.
Przez zespół głośnikowy (kolumnę) przepływa prąd przemienny. Ponieważ kolumna jest złożonym układem elementów indukcyjnych, pojemnościowych (zwrotnica) i rezystancji, to wypadkowy "opór" jaki będzie stanowił układ tych elementów dla prądu przemiennego nazywamy impedancją. Oznacza się go tak jak rezystancję w omach. Najczęściej spotykana impedancja zespołów głośnikowych to 4, 6 i 8 omów. Większość wzmacniaczy tranzystorowych dobrze sobie radzi z kolumnami o różnych impedancjach i nie musimy się zamartwiać dopasowaniem kolumn do wzmacniacza, chyba że producent wyraźnie to zaznaczy. Pewien problem niskoomowe kolumny mogą stanowić tylko dla wielokanałowych amplitunerów, gdzie końcówki mocy najczęściej dla kanałów tylnych i głośnika centralnego projektowane są dla obciążania wyższymi impedancjami. Wzmacniacze lampowe mają oddzielne wyjścia dla różnych impedancji kolumn głośnikowych.
Musimy pamiętać, iż impedancja nie jest wartością stałą dla każdej częstotliwości, lecz jest funkcją. (Patrz rysunek, przykład kolumny 4-omowej). Ponieważ największe moce występują w zakresie średnio-niskotonowym, dla tego zakresu wylicza się średnią impedancji i "podciąga" pod którąś ze standardowych wartości - 4, 6, lub 8 omów. Producenci czasem "optymistycznie" podają wyższą impedancję kolumn, co może skutkować niedopasowaniem głośników do naszego wzmacniacza. Wyobraźmy sobie sytuację w jak trudnych warunkach pracuje nasz wzmacniacz gdy obciążymy go kolumnami, które rzeczywistą impedancję mają około 3 omów, a w niektórych zakresach częstotliwości spada ona nawet poniżej 2 omów. A takie kolumny istnieją w rzeczywistości!

Moc.
Najbardziej znanym parametrem kolumn głośnikowych jest moc. Jej wartość stanowi o dumie (najczęściej młodego) właściciela, który może pochwalić jej wysoką wartością. Moc kolumn głośnikowych często jest utożsamiana z możliwościami uzyskania dużych natężeń dźwięku. A tak w rzeczywistości moc kolumn to jedynie parametr, który określa wartość mocy elektrycznej, jaką można dostarczyć do zespołu głośnikowego bez jego uszkodzenia. W zależności od sposobu pomiaru uzyskujemy różne moce tych samych kolumn. Brak jednoznacznych norm niektóre firmy wykorzystują by "podrasować" ten parametr swoich wyrobów.
Moc znamionowa - to moc, jaką głośnik może przyjąć przez 100 godzin nieprzerwanego sygnału. Jest to parametr, który najbardziej oddaje możliwości naszych kolumn. Często oznacza się go z angielska mocą RMS.
Długotrwała moc maksymalna określana jest za pomocą 10-krotnie powtarzanego sygnału w cyklu: 1 minuta sygnału - 2 minuty przerwy.
Krótkotrwała moc maksymalna - to 60-krotnie powtarzany sygnał 1-sekundowy z 1-minutowymi przerwami.
Długotrwała moc maksymalna jest 2-3 krotnie większa, a krótkotrwała 4-5-krotnie większa niż moc znamionowa. Jak widzimy, jeżeli producent nie poda sposobu pomiaru, może dowolnie manipulować pojęciem "moc kolumn".
Wielu producentów nie podaje mocy kolumn, lecz rekomendowany zakres mocy wzmacniaczy, np. 30-150W. Mówi nam on, że każdy wzmacniacz o mocy mieszczącej się w podanym zakresie powinien bez problemu współpracować z kolumnami. Bywa, że podana moc wzmacniacza jest wyższa niż moc znamionowa kolumn. Nie jest to błędem, gdyż stosowanie mocniejszych wzmacniaczy zabezpiecza kolumny przed ich przesterowaniem, co jest groźniejsze niż zbyt duża moc podana na kolumny (patrz strona "Więcej mocy").
Duża moc kolumn nie zawsze przedkłada się na dużą głośność, jaką możemy z nich uzyskać. Tutaj dochodzi jeszcze jeden czynnik - sprawność (efektywność) kolumn. Ale o tym poniżej.

Efektywność kolumn głośnikowych.
Każde urządzenie elektryczne wykorzystuje energię elektryczną którą mu dostarczymy w pewnym tylko stopniu. Część tej energii zamieniana jest na ciepło. Stosunek energii oddanej przez urządzenie w użytecznej formie, do mocy dostarczonej, jest określany jako sprawność. Wyraża się go w procentach lub w postaci ułamka. I tak sprawność wzmacniacza, która wynosi 75%, mówi nam, że aż (tylko) 75% dostarczonej energii jest zamieniane na sygnał użyteczny, a 25% zamienia się w ciepło. W elektroakustyce odpowiednikiem sprawności jest efektywność, wyrażana w skali logarytmicznej, w decybelach. Skala logarytmiczna charakteryzuje się tym, że zmiana o 3 decybele jest zmianą dwukrotną, a różnica o 10 decybeli - to zmiana aż 10-ciokrotna.
Do głośników odnosi się efektywność mocowa, (dB/2,83V/1m) która określa jakie ciśnienie akustyczne uzyskamy w odległości 1 m przy dostarczeniu 1W mocy elektrycznej. 1W mocy uzyskujemy dla kolumn 8-omowych przy znormalizowanym napięciu 2,83V. W przypadku kolumn 4-omowych uzyskamy moc dwukrotnie większą - 2 W, co może sugerować wyższą sprawność takich kolumn (dla kolumn 4-omowych wartość prawidłowa pomiaru to 2V). W praktyce, ponieważ wzmacniacze przy niższym obciążeniu oddają większą moc, uzyska się i tak większe ciśnienie akustyczne, nie ma to aż tak dużego znaczenia. Wielu producentów podaje wartość napięcia, przy jakim mierzy się efektywność.
Spotyka się jeszcze określenie efektywności w dB/1W/1m, które mówi nam jakie będzie natężenie dźwięku w odległości 1 m od głośnika przy dostarczeniu 1 Wata mocy sygnału. 
Podanie samej wartości efektywności w decybelach nie mówi nam wiele o metodzie pomiaru i nie pozwala na bezpośrednie porównanie tych wartości różnych kolumn.

Głośniki bardzo niepełnosprawne.
Głośniki dynamiczne mają rewelacyjnie... niską sprawność. Aż 98-99% energii zamieniana jest na ciepło, a tylko około 1-2 % oddawana w postaci dźwięku. Dlatego tak ważna jest jak największa efektywność naszych kolumn. Współczesne zespoły głośnikowe mają efektywność w przedziale 82 - 92 dB. Ponieważ jest to skala logarytmiczna, to różnica w uzyskanym ciśnieniu akustycznym pomiędzy kolumnami o efektywności 82 dB a 92 dB wynosi aż 10 razy. Kolumny o efektywności 80 dB wymagają stosowania mocnych wzmacniaczy. Tak więc, jeżeli kupimy kolumny o większej efektywności, to bez zwiększania mocy wzmacniacza uzyskamy o wiele głośniejszy dźwięk. Słaby wzmacniacz i efektywne kolumny dadzą taką samą głośność do olbrzymi wzmacniacz i mało efektywne kolumny. Efektywne kolumny to ważny czynnik przy zakupie słabych (z reguły) wzmacniaczy lampowych. Pamiętajmy o tym.

Pasmo i charakterystyka przetwarzania.
Pasmo przenoszenia jest to zakres częstotliwości jaką przenoszą głośniki. W przypadku kolumn głośnikowych ważnym jest, aby pasmo obejmowało możliwie dużą część dźwięków słyszalnych. Każdy zespół głośnikowy (głośnik) na krańcach swojego pasma wykazuje spadek głośności.
O ile przekroczenie górnej granicy słyszalności dźwięków, 20 kHz dla współczesnych głośników wysokotonowych nie stanowi problemu, to uzyskanie odpowiednio niskiego basu jest większym problemem. Zależy to od konstrukcji głośnika, wielkości obudowy kolumny, strojenia układu itp. Małe kolumienki dolną granicę 20 Hz osiągają z trudem, z dużym spadkiem głośności, sięgającym nawet kilkudziesięciu decybeli w porównaniu z poziomem głównej części pasma. Ale i główna część pasma nie jest idealnie liniowa. Przyjmuje się, że dobrym wynikiem jest różnica głośności +/- 3 dB. (Rysunek)
Jeżeli charakterystyka przetwarzania jest w miarę płaska, przyjmuje się że kolumny są dobrej jakości, bowiem prawie zawsze duże zafalowania owocują słyszalnymi zniekształceniami dźwięku. Ale doświadczenia praktyczne mówią nam, że sama tylko płaska charakterystyka nie gwarantuje dobrego brzmienia. Prawie wszystkie zestawy o wysokiej jakości brzmienia mają w miarę płaską charakterystykę, ale nie wszystkie zestawy o płaskiej charakterystyce zapewniają wysoką jakość brzmienia.
Różni producenci podają pasmo przetwarzania głośników z różnym spadkiem głośności. Ci bardziej rzetelni podają, że np., pasmo przetwarzania głośników jest 40 Hz - 20 kHz ze spadkiem na krańcach pasma +/- 3 dB, a inni podają optymistyczne pasmo np. 30 Hz - 22 kHz bez podania spadków. Jeżeli pamiętamy, że różnica o 10 decybeli to spadek głośności 10-krotny, a 20 dB to aż 100-krotny, to widzimy, że uczciwie podane parametry są ważną sprawą dla kupującego. Teoretycznie większość kolumn może osiągnąć dolną częstotliwość np. 30 Hz, pytanie tylko, z jakim spadkiem głośności.

Budowa kolumn.
Sam głośnik bez obudowy ma bardzo niską sprawność (szczególnie niskotonowy), ponieważ fale dźwiękowe wytwarzane przez membranę z przodu i z tyłu znoszą się wzajemnie. Dlatego głośniki zamyka się w obudowach tak, aby dźwięk mógł promieniować w jednym kierunku (oprócz kolumn bi, di i omnipolarnych, ale o tym dalej). Odpowiednio wykonana i "zestrojona" obudowa często stanowi o sukcesie lub porażce konstruktora. Można bowiem stosować doskonałe głośniki, lecz przy złej konstrukcji obudowy uzyskamy efekt gorszy niż z tańszych głośników w dobrze wykonanej obudowie.
Obudowę wykonuje się z dobrej jakości drewna, ale najczęstszym materiałem jest MDF, czyli odmiana płyty wiórowej o dużej gęstości, twardej i wytrzymałej W tańszych konstrukcjach na przednią część obudowy używa się MDF a boki robi ze zwykłej płyty meblowej. Bywają też obudowy z aluminium, ale stosowane są w drogich, wyrafinowanych konstrukcjach. Aby obudowa nie drgała, i nie wpadała w rezonans, stosuje się grube ścianki a wewnątrz często montuje wzmocnienia. Niektórzy producenci w kolumnach podłogowych dolną część obudowy przeznaczają do zasypania piaskiem czy śrutem ołowianym w celu dociążenia kolumn i tym samym zmniejszenia rezonansów obudowy. Standardem staje się stosowanie kolców pod obudowy, tak by drgania nie przenosiły się na podłogę. Przy kolumnach podstawkowym należy stosować specjalne, stabilne podstawki (standy).
Kolumna zamknięta.
W szczelnie zamkniętej obudowie zamontowane są głośniki - wysokotonowy i średnio-niskotonowy. Kolumna jest mocno wytłumiona. Charakteryzuje się dobrą odpowiedzią impulsową, lecz posiada niską sprawność i z reguły słabszy bas. Spowodowane jest to wytłumianiem promieniowania tylnej części membrany - część energii tracona jest bezpowrotnie. Dlatego obecnie są rzadko produkowane, ustąpiły głośnikom z bass-refleksem.

Bass-reflex. 

Jeżeli głośnik umieścimy w dobrze wytłumionej komorze zamkniętej, dźwięk będzie promieniował przez przednią stronę membrany. Promieniowanie tylnej strony będzie wytłumiane, ale część energii i tak wydostanie się na zewnątrz przez drgające ścianki obudowy. Lepszym rozwiązaniem jest, gdy energia tylnej strony membrany jest także wykorzystana. Gdy zastosujemy otwór w obudowie, o ściśle wyliczonych proporcjach w stosunku do komory, w której znajduje się głośnik, spowoduje to zadziałanie układu rezonansowego (pierwszy raz obliczonego przez Helmholtza) o bardzo złożonych parametrach. W pewnym zakresie częstotliwości otwór wypromieniowuje falę o fazie (prawie) zgodnej z falą przedniej części membrany, tak, że ciśnienia pochodzące z obydwu źródeł dodają się. W innym zakresie występuje ciekawe zjawisko: membrana głośnika prawie nie pracuje, a otwór wypromieniowuje bardzo dużą energię. Zalety bass-refleksu spowodowały, że jest on najczęściej stosowanym typem obudowy. 
Oprócz obudowy zamkniętej, (rzadko stosowanej, mimo że charakteryzuje się dobrymi charakterystykami impulsowymi), spotyka się także obudowę z głośnikiem (membraną) biernym, band-pass, czy linię transmisyjną.

Linia transmisyjna.
Jest to kolumna, wewnątrz której zbudowany jest kanał, mocno wytłumiony, który pochłania prawie całkowicie energię tylnej części membrany, a jej resztki są wypromieniowane na zewnątrz, poprzez otwór na jego końcu. 
(Na rysunku różne konstrukcje linii transmisyjnej. Ostatni rysunek to konstrukcja z membraną bierną)

Membrana bierna.
Konstrukcja z membraną bierną jest dość często spotykana. Zamiast otworu bass-refleksu umocowana jest membrana, (przypominająca do złudzenia głośnik średnio-niskotonowy lecz bez magnesów i zasilania), która wspomaga przetwarzanie basu. 

Szczegóły, szczegóły...
Projektanci kolumn stosują różne rozwiązania techniczne, tak aby uzyskać jak najlepszy dźwięk. Kilka przykładów, które widoczne są gołym okiem:

1. Pochylenie całej kolumny, lub tylko przedniej ścianki pod pewnym kątem do tyłu. Pochylenie pomaga uniknąć fal stojących w zakresie niskich częstotliwości.
2. Nierównoległe ścianki obudowy (np. w rzucie z góry - obudowa ma kształt trapezu lub nawet jest owalna) Unika się wtedy fal stojących i rezonansów powstałych wewnątrz obudowy.
3. Zaokrąglanie krawędzi zewnętrznych przedniej ścianki, pozwala na zmniejszenie dyfrakcji fal wyższej częstotliwości. Innym rozwiązaniem jest umieszczenie głośnika wysokotonowego na "dachu" obudowy, wysunięcie przed mocno pochylony fragment obudowy itp. (B&W)
4. Maksymalne zbliżenie głośnika wysokotonowego do średnio-niskotonowego poprawia stereofonię. Uzyskuje się prawie punktowe źródło dźwięku. Idealny źródłem punktowym jest umieszczenie dwóch lub nawet trzech głośników w jednym (Kef, Tannoy, Cabasse (Na zdjęciu:  dwa w jednym, czyli Tannoy Dual, wewnątrz głośnik wysokotonowy).
5. Stosowanie wąskich kolumn poprawia stereofonię. Ponieważ wąskie kolumny nie pozwalają na umieszczenie dużych, mocnych głośników średnio-niskotonowych, często stosuje się dwa mniejsze, połączone równolegle.
6. Stereofonię poprawia także umieszczenie dwóch głośników średnio-niskotonowych symetrycznie względem głośnika wysokotonowego - poniżej i powyżej niego. Jest to tzw. układ D'Appolito (zobacz zdjęcie). Oba głośniki przetwarzają ten sam zakres częstotliwości. Spotykany często, podobny zewnętrznie, układ symetryczny w którym każdy głośnik przetwarza inny zakres częstotliwości nie ma nic wspólnego - poza wyglądem - z "prawdziwym" układem D'Appolito.
7. W kolumnach podłogowych często stosuje się komorę w dolnej części obudowy przeznaczoną do dociążenia piaskiem lub ołowiem. Zmniejsza to drgania obudowy i rezonanse. Może to jednak zmienić charakter dźwięku, dlatego warto porównać brzmienie kolumn nie dociążonych i dociążonych.
8. Kolce przykręcane do kolumn podłogowych są już prawie standardem i są z reguły dołączane przez producenta. Jeśli ich nie mamy warto je zakupić lub zastosować ciężkie kamienne podstawki pod kolumny. Pozwoli to nam uniknąć przenoszenia rezonansów na podłogę, nieco poprawi także przetwarzanie basu. Nie mówiąc o estetycznej stronie takiego rozwiązania.
9. Ponieważ kolumny z otworem bass-refleksu są najbardziej popularne, tutaj też konstruktorzy wnoszą pewne ulepszenia. Wyprowadzenia rury na zewnątrz powinny być łagodnie zaokrąglone by uniknąć szumu powietrza wypychanego przez głośnik. Czasami stosuje się różne wgłębienia, karbowania itp. Obudowa, w której otwór bass-refleksu jest z przodu, jest konstrukcją bardziej uniwersalną. Umieszczenie otworu z tyłu powoduje przy zbytnim zbliżeniu kolumny do ściany,  "podbicie" basu, czasem aż do wystąpienia zniekształceń (chociaż może to być sposób na regulację jego ilości). Takie kolumny potrzebują "dużo powietrza" wokół siebie. Czasem producenci dołączają zatyczkę z gąbki do zamknięcia otworu, przez co ilość basu można ograniczyć . Zamiast gąbki możemy użyć luźno zwiniętej w rulon tkaniny. Niektóre obudowy mają wylot bass-refleksu u dołu. Takie kolumny mają specjalne nóżki, które pozwalają na swobodne wydobywanie się dźwięku. 
10. Pod kolumny podstawkowe obowiązkowo powinno się stosować stabilne, nie przenoszące drgań podstawki. Umieszczenie ich na półce powoduje przenoszenie rezonansów na meble i tym samym ma wpływ na charakter dźwięku. W niektórych konstrukcjach producent dopuszcza umieszczenie kolumienek na półkach. Dobrze jest je odizolować od podłoża poprzez podłożenie kawałka materiału tłumiącego np. gąbki. Odsunięcie od ostrych krawędzi mebla zmniejszy możliwość wystąpienia dyfrakcji fal wysokiej częstotliwości.

Zwrotnica.
Obecnie do przetworzenia całego słyszalnego pasma potrzebne jest użycie przynajmniej dwóch głośników: średnio-niskotonowego i wysokotonowego. W konstrukcjach, w których użyto więcej głośników, pasmo trzeba podzielić na tyle części, ile jest głośników (o ile nie pracują jako podwójne, połączone równolegle). Każdy głośnik, na krańcach swojego pasma przenoszenia pracuje z mniejszą efektywnością - spadek głośności jest wyraźny. Cała sztuka w budowaniu kolumn polega na tym, aby przejście pomiędzy głośnikami było płynne, niezauważalne, bez nierówności charakterystyki. Za takie właśnie połączenie dwóch głośników odpowiedzialna jest zwrotnica elektryczna. Jest to układ filtrów, dzielących sygnał biegnący od wzmacniacza pomiędzy poszczególne głośniki. Ponadto zadaniem zwrotnicy jest wytłumienie rezonansów, które występują w każdym głośniku. Najprostsza kolumna składa się ze zwrotnicy zainstalowanej tylko na głośniku wysokotonowym, (bywa że jest to tylko rezystor lub kondensator) który ma o wiele mniejszą moc i dlatego musi być chroniony przed przeciążeniem (na rysunku prosta zwrotnica kolumny dwudrożnej). Zwrotnica musi być dopasowana do konkretnych głośników. Jedne wymagają prostych zwrotnic, inne skomplikowanych. Nie ma idealnej zwrotnicy, a o jej jakości świadczy jakość użytych elementów i konstrukcja. Lepsze jest stosowanie np. kondensatorów polipropylenowych niż elektrolitycznych, a cewki powietrzne lepsze są od rdzeniowych.
W terminologii spotykamy określenie "zwrotnica 1-go rzędu, 2-go" itd... Zwrotnica jest to, jak wiemy, filtr elektryczny, który ma za zadanie wytłumić niepotrzebne już częstotliwości. I zależnie z jaką "mocą" to czyni, tak określa się rząd filtru. I tak tłumienie 6 decybeli/oktawę jest łagodnym tłumieniem, i określamy to jako filtr 1-go rzędu (na wykresie widzimy łagodne zbocze). Filtry wyższego rzędu tłumią mocniej: filtr 2-go rzędu to 12 dB/oktawę, 3-go - 18 dB/okt. itd.

Bi-wiring.
Jeżeli z tyłu kolumn zobaczymy 4 (lub 6) zaciski do kabli głośnikowych, możemy się domyślić, że nasze kolumny są przystosowane do zasilania podwójnym (potrójnym) okablowaniem w tzw. bi-wiringu. Zastosowanie podwójnego okablowania teoretycznie poprawia nam jakość dźwięku, ale nie zawsze jest to prawdą. Więcej na stronie "Bi-wiring, bi-amping".

Kierunkowość promieniowania głośników.

Kolumny kierunkowe.
Klasyczne kolumny promieniują dźwięk przed siebie. Największą kierunkowość wykazują wysokie częstotliwości, dlatego ważnym jest, aby przy odsłuchu głośnik wysokotonowy był skierowany w stronę słuchającego, i znajdował się na wysokości jego uszu. Mniejszą kierunkowość wykazują tony średnie a najmniejszą - niskie. Rozchodzą się po pomieszczeniu praktycznie bezkierunkowo, tak, że wystarczyłby tylko jeden głośnik niskotonowy dla całego zestawu. Taka idea ma zastosowanie w kinie domowym, gdzie wzmacniacz obcina niskie tony (poniżej 200 Hz) w głośnikach głównych i przesyła je do subwoofera. Subwoofer może być ustawiony w pokoju w praktycznie dowolnym miejscu (z pewnymi zastrzeżeniami, patrz strona "Pan Bas").
Różne kolumny mają różny kąt promieniowania. Te o większym kącie, są łatwiejsze do ustawienia i lepiej wypełniają pokój dźwiękiem, ale odbywa się to kosztem ostrości lokalizacji dźwięku. Aby uzyskać najlepszą jakość dźwięku dobrze jest skorzystać z porad producenta kolumn zawartych w instrukcji obsługi.

Bipole.
Kolumny o charakterystyce promieniowania bipolarnej promieniują dźwięk do przodu i do tyłu kolumny, w tej samej fazie. Promieniowany przez tył zestawu dźwięk odbija się od ścian pomieszczenia i dociera do słuchacza z kilkumilisekundowym opóźnieniem. Daje to zaskakujące wrażenie przestrzenności i głębokiej sceny dźwiękowej. Konstrukcja takich kolumn jest bardziej skomplikowana, zawierają bowiem więcej głośników dynamicznych które trzeba umiejętnie zestroić. W nieco prostszej wersji produkuje się takie głośniki do kina domowego jako głośniki tylne, efektowe. Norma THX dopuszcza użycie tylko kolumn o charakterystyce bipolowej jako efektowych (czyli tylnych).

Dipole.
Podobnie jak bipole, głośniki te promieniują także do tyłu. Ale różnica jest zasadnicza: charakterystyka promieniowania przypomina ósemkę, a głośniki pracują w przeciwnej fazie.
Uzyskuje się tu lepsze rozproszenie dźwięku niż w tradycyjnych kolumnach, lecz są trudne do ustawienia w pokoju. Wadą jest słaby bas, wynikający właśnie z pracy w przeciwnych fazach. Następuje tutaj jakby "zwarcie" w niskich (i nie tylko) częstotliwościach i mocne ich tłumienie. Stąd charakterystyka promieniowania ma kształt ósemki. Charakterystykę taką mają głośniki elektrostatyczne.

Omnipolar.
Kolumny omnipolarne promieniują dźwięk dookoła, nie tylko w płaszczyźnie poziomej, ale także w pionie. Zachowują się one jak punktowe źródło dźwięku. Wrażenia z odsłuchu takich kolumn są zaskakujące. Dźwięk wypełnia cały pokój, dając wrażenie uczestnictwa w koncercie na żywo. Wadą takiej prezentacji jest niezbyt ostra lokalizacja źródeł. Konstrukcja takich kolumn jest złożona. Muszą być wykonane z dobrą jakością, ponieważ niewłaściwa konstrukcja powoduje, iż proporcje pomiędzy dźwiękiem odbitym i bezpośrednim zostają zachwiane, dając nienaturalne wrażenia przestrzenne. Sprawiają też nieco kłopotów przy ustawianiu w pokoju. 

Kolumny elektrostatyczne.
Pierwszy głośnik elektrostatyczny został sprzedany tuż po drugiej wojnie światowej. Bardzo dobre rezultaty brzmieniowe zachęciły entuzjastów do rozwijania tej technologii.
Przetworniki elektrostatyczne wyróżniają się bardzo niskim poziomem zniekształceń. Wynika to z ich prostej konstrukcji i zasady działania. Ponadto generują wręcz holograficzną przestrzeń, posiadają bardzo dobrą spójność brzmienia i doskonale oddają barwę instrumentów. Dźwięk jest łagodny, pozbawiony agresji, lekki i przestrzenny. Te zalety powodują, że elektrostaty mają wielu entuzjastów. Do wad zaliczyć można ograniczenia dynamiki i słabe przetwarzanie basu. Dlatego bas najczęściej generowany jest za pomocą klasycznych głośników dynamicznych. (na zdjęciu wysokiej klasy elektrostat firmy Martin Logan, USA)

Zasada działania.
Zasada działania, tak jak i konstrukcja, jest prosta. Bardzo lekka, wytrzymała i przewodząca prąd folia z tworzywa sztucznego, jest umieszczona pomiędzy dwiema elektrodami z blachy perforowanej (najczęściej w proporcji 50%/50% powierzchnia czynna a otwory). Folia jest membraną, która generuje dźwięk. Jest ona wstępnie spolaryzowana wysokim napięciem. Do elektrod z perforowanej blachy doprowadzone jest napięcie zmienne ze wzmacniacza. Jedna elektroda zasilana jest połową napięcia, a druga - drugą połową, w przeciwfazie (push-pull).
Gdy do przetwornika nie dociera żaden sygnał, tworzy się równomierne pole elektryczne pomiędzy membraną a elektrodami. Membrana nie porusza się, gdyż siły przyciągania pochodzące od elektrod równoważą się. Wraz ze zmiennym sygnałem wejściowym, pomiędzy elektrodami tworzy się zmienne pole elektryczne, które w zależności od polaryzacji przyciąga lub odpycha spolaryzowaną wysokim napięciem membranę. Naprężenie membrany działa jak sprężyna zabezpieczając przed nadmiernym wychyleniem. Ponieważ elektrody nie poruszają się, a drga tylko lekka, naprężona folia (membrana) wytwarzając ciśnienie akustyczne, dźwięk jest szybki, lekki i bez zniekształceń.
Aby folia wytwarzała odpowiednie natężenie dźwięku, musi mieć dość duże wymiary i być zasilana wysokim napięciem. Napięcie to wynosi nawet 5000 - 7000 V. Aby zasilić takie kolumny wymagany jest wydajny prądowo wzmacniacz, którego sygnał wyjściowy podnoszony jest za pomocą specjalnego transformatora do napięcia roboczego kilku kV. Przekładnia takiego transformatora wynosi najczęściej 1:50. Panele elektrostatyczne mogą też być zasilane za pomocą wzmacniacza lampowego, z pominięciem transformatora wyjściowego.
Wysokie napięcia zasilające są niebezpieczne, dlatego głośnik elektrostatyczny jest umieszczony w odpowiedniej, izolującej obudowie.
Spotyka się dwa rodzaje paneli: płaskie i zakrzywione. Panele płaskie są łatwiejsze w produkcji, ale mają niekorzystną charakterystykę kierunkową w płaszczyźnie poziomej. Powoduje to, że przy odsłuchu stereofonicznym obraz stereofoniczny jak i balans tonalny zmienia się w zależności od położenia naszych uszu. Nawet niewielkie ruchy głową powodują ich zmianę. Dlatego stosuje się panele zakrzywione, (np. Martin Logan) które nie są tak wrażliwe na lokalizację słuchacza. Płaskie panele produkuje firma Quad, ale stosuje specjalne elektrody i skomplikowane linie opóźniające, które doprowadzają napięcie do kolejnych pierścieni elektrod.

Ustawianie paneli w pomieszczeniu.
Elektrostaty są źródłem dźwięku dipolarnym, czyli promieniują dźwięk do przodu i do tyłu w przeciwfazie. Powoduje to trudności w ustawieniu kolumn. Najlepsze efekty przestrzenne można uzyskać ustawiając je nierównolegle do ścian pokoju, w jednakowych odległościach od ścian i mebli. Dokładne propozycje ustawienia można znaleźć w instrukcji obsługi.

Zrób to sam.
Panele elektrostatyczne są dość łatwym obiektem do amatorskiej budowy. Wprawdzie w Polsce ruch hobbystyczny jest niewielki, ale na świecie a szczególnie w USA można bez problemu kupić "kity" do samodzielnego złożenia. Wielu entuzjastów tanim sposobem buduje więc wysokiej jakości panele elektrostatyczne, tym bardziej że markowe są bardzo drogie. Temat elektrostatów często był omawiany na łamach amerykańskiego czasopisma Audio Amateur.

Nowa technologia - NXT
Technologia ta powstała w brytyjskiej firmie badawczej V-Labs, podczas badań nad wyciszeniem kabin samolotów wojskowych "Tornado". Firma ta obecnie nie zajmuje się produkcją paneli, lecz tylko sprzedaje licencje różnym formom. Licencje nabyły: Mission, NEC, Samsung, Peerless, LG, Audax, Sony, Fujitsu i wiele innych.
Panele NXT to sztywne i lekkie płyty kompozytowe (np. z włókna węglowego czy nawet cienkiego, przewodzącego szkła) o grubości od 0,5 mm (nawet od 0,3 mm) do 20 mm. Najczęściej są płaskie, lecz mogą mieć inny kształt, np. walca czy kuli. Wielkość panelu może być prawie dowolna - obecnie spotyka się wielkości od 10 cm² do kilku m². Nie mają specjalnej obudowy, lecz tylko ramkę. Mogą być wieszane na ścianie jak obraz (są już z nadrukowaną reprodukcją znanych obrazów) lub wbudowane w sufit czy ścianę. Mogą pracować w dowolnej pozycji, także pod wodą.
Zasilanie paneli odbywa się za pomocą specjalnego wzbudnika sterowanego mikroprocesorem, który przetwarza sygnał dźwiękowy według skomplikowanych algorytmów. Wzbudnik (o niewielkiej grubości) przekazuje energię do płyty, w której wytwarzane są fale giętne. Fale giętne powstają w ośrodkach o małej grubości. Są to fale poprzeczne, które powodują odkształcenia (wyginanie) membrany związane z przemieszczaniem się czoła fali. Rozchodzą się wzdłuż panelu i tworzą dużą liczbę prawie punktowych źródeł dźwięku o różnych częstotliwościach. Amplituda drgań jest niewielka (rzędu mikronów) lecz rozłożona na całej powierzchni. Pasmo przenoszenia jest szerokie, wynosi 70 Hz - 19 kHz. Panele emitują rozproszony, wysokiej jakości dźwięk, o małych zniekształceniach i o prawie płaskiej charakterystyce przenoszenia. Odznaczają się dużą efektywnością. Wytwarzanie ich jest proste - po prostu płytkę kompozytu tnie się na żądany wymiar, dołącza wzbudnik, oprawia, drukuje wzór na powierzchni. Skomplikowane są tylko obliczenia komputerowe ze względu na określenie algorytmu zasilania dla każdego panelu oddzielnie.
Te zalety powodują że grające panele znajdują zastosowanie w zestawach audio i kina domowego (uzupełnione o subwoofer) jak i w przemyśle komputerowym (np. głośniki przy laptopach) samochodowym, zabawkarskim, itp. Wprawdzie jest to technologia młoda, ale wielce obiecująca. Już teraz producent kolumn, brytyjska firma Mission chwali się, iż wyprodukowała "kolumny" NXT klasy Hi-End.

Inne technologie.
Oprócz udoskonalania "klasycznych" konstrukcji głośników, trwają badania nad nowymi technologiami. Są one bardzo interesujące lecz jeszcze nie na etapie zastosowań praktycznych. Zainteresowanych odsyłam do literatury fachowej.

Źródło: audioton.republika.pl
Początek strony