O reproduktorech a ozvučnicích 2. díl
zvukové vlny a trocha teorie, co dělá ozvučnice?, počet pásem




Zvukové vlny, vlnová délka, naše uši...www.elweb.cz
www.elweb.cz
Malá odbočka od reproduktorů, aby všichni věděli o čem bude řeč. Je mi jasné, že už byste si nejspíš raději přečetli něco praktičtějšího, ale trocha teorie je nevyhnutelná. Pokusím se problematiku zvukových vln popsat tak, aby tomu rozumněli i začátečníci alespoň částečně chápající matematiku a fyziku základní školy.www.elweb.cz
www.elweb.cz
Lidské ucho si můžete představit jako barometr, tedy měřič tlaku, s logaritmickou stupnicí citlivý pouze na prudké změny. Pokud tlak kolísá ze dne na den o několik Pa (Pascalů), člověk si toho (až na nějaké ty případné bolesti hlavy) vůbec nevšimne. Stačí ovšem prudká periodická (=opakovaná) změna tlaku v řádech mPa (mili Pascalů) a člověk "slyší". Jak jsem již napsal, lidské ucho je, jako všechny naše smysly, přibližně logaritmické. To znamená, že například mezi 50 a 60 mPa vnímáme podobný rozdíl jako mezi 500 a 600 mPa (Narozdíl od lineárního vnímání, kde bychom teoreticky vnímali stejný rozdíl mezi 50 a 60 mPa a 500 a 510 mPa.) Je to praktické, protože jsme tak schopni rozumět šepotu i řevu zpěváka na koncertu. Proto také vznikla poměrová jednotka Bell respektive její dílčí jednotka deci Bell (dB), ale o tom až později. Tyto periodické změny tlaku se vzduchem (a i jinými materiály) šíří v podobě podélných zvukových vln. Rychlost tohoto šíření je ve vzduchu přibližn 345 ms-1 (metrů za sekundu), je však závislá na mnoha parametrech, především na teplotě, ale její změny nejsou pro naše účely nijak podstatné. Podstatné jsou u zvukové vlny především tyto vlastnosti:www.elweb.cz
www.elweb.cz
1) amplituda této vlny, tedy rozdíl tlaku vzduchu v jejím maximu (místo, kde je vzduch stlačen nejvíce) a místě klidu, kde má vzduch stejný tlak jako je tlak atmosférický (nadneseně řečeno, ten podle předpovědi počasí). Amplituda udává v podstatě hlasitost.www.elweb.cz
www.elweb.cz
2) délka vlny respektive vlnová délka (značí se řeckým písmenem lambda) je vzdálenost mezi libovolného místem zvukové vlny po místo, kde se průběh vlny začíná opakovat. Pro jednodušší představu u sinové vlny je to například vzdálenost v metrech mezi dvěma maximi. A s tím související frekvence vyplývající z rychlosti šíření zvuku. f = v / lambda [Hz;ms-1,m]. Chcete-li: Délka vlny = přibližně 345 / frekvence [m;Hz]. www.elweb.cz
www.elweb.cz
3) Průběh signálu (zvukové vlny). Můžete si to představit jako graf změny tlaku v závislosti na čase v daném místě. V teorii se mluví hodně o sinu a sinusovce. Signál s průběhem sinu nazýváme harmonický signál, případně tón. Harmonické signály vytváří oscilátor (=generátor harmonického signálu). V praxi to může být například při úderu do předmětu a jeho rozkmitání. Ale v řeči, hudbě a vůbec v tom, co povětšinou chcete, aby vaše reprosoustavy vyluzovali sinus opravdu nenajdete. Tyto průběhy vznikají složením mnoha jiných průběhů, které spolu mohou souviset, ale také nemusí. To co produkuje většina hudebních nástrojů jsou tóny s "příměsí" harmonických frekvencí. Pokud je základní tón například 1kHz, tak vyšší harmonické budou 2kHz, 3kHz, 4kHz,... Harmonické složky mohou být různě intenzivní a rozlišují se na sudé a liché. Každé z nich naše ucho vnímá trochu jinak. Tyto složky se slučují (interferují) s původním tónem a vzniká neharmonický signál, který sinusovku nemusí ani vzdáleně připomínat. www.elweb.cz
www.elweb.cz
4) Fáze respektive relativní fázový posuv vůči jiné vlně. Fázový posun si lze představit jako posun grafu průběhu signálu ve směru osy x respektive ve směru osy času. Pokud víte jaký je rozdíl mezi grafem sinu a cosinu, tak mezi těmito dvěma funkcemi je fázový posun roven 90 stupňům (půl pí v radiánech). Lze také říci, že jejich fázový posun je čtvrt periody. Perioda je vzdálenost na časové ose (časový úsek; čas) od libovolného místa po místo, kde se signál začíná opakovat (Pochopitelně při pozorování signálu zvukových vln v jednom pevném bodě). Perioda je rovněž převrácená hodnota frekvence a značí se písmenem T. T=1/f [s;1,Hz]. U sinu je to například vzdálenost mezi dvěma maximi. Při interferenci dvou stejných zvukových vln (se stejným průběhem, frekvencí i amplitudou) může v extrémních případech dojít k interferenčnímu maximu: Zvukové vlny jsou ve fázi, jejich fázový posun je tudíž ...-360, 0, 360, 720... stupňů (k*360; k leží v Z). V takovém případě dojde k jejich sečtení a zdvojnásobení amplitudy což odpovídá +3dB. Nebo může dojít k interferenčnímu minimu: Zvukové vlny jsou tzv. v protifázi, jejich fázový posun je ...-180, +180, +540... ((2k+1)*180; k leží v Z). A pak se zvukové vlny zcela odečtou, výsledkem je nulová amplituda.www.elweb.cz
www.elweb.cz
Zvukové vlny se mohou v prostředí nebo na rozhraní dvou prostředí šířit, slučovat, lámat, ohýbat a odrážet. K lomu zvukové vlny dochází při přechodu mezi dvěma akustickými prostředími, ale to pro nás zatím není příliš podstatné. Zvuková vlna se může ohýbat na hraně. To už je v praxi použitelné. Pokud je výškový reproduktor umístěn v blízkosti ostré hrany (například hrana čelní desky ozvučnice), tak zvukové vlny ním vyzářené se na hraně ohýbají. Hranu si pak můžeme představit jako další zdroj zvukových vln, který vyzařuje opět do (téměř) všech směrů. Vlny z tohoto "nového zdroje" interferují s vlnami přímo vyzářenými výškovým reproduktorem a dochází v různých místech ke vzniku již zmíněných interferenčních maxim a minim. Výsledkem je nežádoucí zvlnění amplitudové a i směrové charakteristiky. U středových a basových reproduktorů k tomuto jevu vzhledem k větším vlnovým délkám v praxi příliš nedochází. Ohybu vln na hraně se dá zabránit odstraněním hran, respektive jejich zaoblením. www.elweb.cz
www.elweb.cz
Člověk je schopen ušima vnímat frekvence od cca 20Hz do 20kHz. I frekvence jsou člověkem vnímány přibližně logaritmicky. To znamená, že mezi tónem např. 300Hz a 500Hz vnímáme přibližně stejný rozdíl jako mezi 3kHz a 5kHz. Asi tak jako někdo vidí lépe do dálky a někdo hůře, dokáží různí lidé vnímat různé frekvence. Stářím se především horní hranice slyšitelných kmitočtů posunuje směrem dolů. Krajní frekvence, tedy přibližně 20 až 60 Hz a 14 až 20 kHz jsou slyšitelné pouze při vyšších hlasitostech. Nejcitlivější je ucho na středních frekvencích, především na 3,5kHz. Nejen, že je ucho na frekvencích od cca 500 do 5kHz nejcitlivější, ale také dokáže nejlépe vnímat akustický signál, je citlivé na různá zkreslení při reprodukci. A proto by se měla tomuto pásmu věnovat při návrhu reprosoustav obzvlášť zvýšená pozornost. Jak už jsem napsal v minulém díle, nejde jen o "basy". www.elweb.cz
www.elweb.cz
Co udělá s reproduktorem ozvučnicewww.elweb.cz
www.elweb.cz
Reproduktor vyzařuje zvukové vlny jak přední, tak i zadní stranou membrány. Pokud by byl bez ozvučnice, tak by u delších vln (delší vlnová délka => menší frekvence, tedy hloubky, chcete-li "basy") docházelo po sloučení k výše zmíněnému interferenčnímu minimu. Vysvětlení: Pokud se membrána pohybuje například směrem dopředu, tak ve předu vzniká maximální tlak, kdežto za ní tlak minimální. Vznikají tedy dvě zvukové vlny, které jsou v protifázi. Tyto zvukové vlny to od sebe nemají příliš daleko a než k sobě dorazí tak při nižších kmitočtech (=> delších vlnových délkách) "nestihnou" otočit fázi. Je tedy potřeba od sebe zvukové vlny vyzářené přední a zadní ozvučnicí oddělit. Většinou (u tzv. přímovyzařujících reprosoustav, což jsou až na některé subwoofery téměř všechny) je využíváno přední strany membrány. Ale co s vlnami od zadní strany membrány? V nejjednodušším případě zlikvidovat! A to je právě účel uzavřené uzvučnice. Musí pohltit tyto vlny a jejich energii v ideálním případě přeměnit na teplo. Energie zvukových vln není ani při vysokých hlasitostech relativně nikterak veliká, takže se nemusíte obávat, že by se vám ozvučnice zahřála. Vždyť pokud například zesilovač dodá reproduktoru 100W, reproduktor má účinnost 2%, tak je jeho akustický výkon 2W. A i kdyby byla přeměna energií stoprocentní (což bohužel nikdy není), tak u wattového topení se příliš neohřejete. Co takhle ale využít i tyto vlny? Pokud se z nich "vyberou" jen vlny s danou vlnovou délkou, tak je to možné. Jejich vlnová délka musí být taková, aby zvuková vlna po opuštění ozvučnice interferovala s původními vlnami (z přední strany ozvučnice) ve fázi. Přibližně na tomto principu funguje ozvučnice s bassreflexovým nátrubkem.www.elweb.cz
www.elweb.cz
Ozvučnice ale také mění parametry reproduktoru. Volně položený reproduktor má určitou tuhost závěsu membrány. Musíte vykonat určitou sílu, abyste s membránou pohnuli (je to jako pružina většinou v podobě gumového nebo papírového "kroužku"). Po vestavění reproduktoru do vzduchotěsné ozvučnice musíte při snaze pohnout s membánou (např. jí zatlačit) vykonat sílu větší, protože ještě navíc stlačujete vzduch v ozvučnici. V závěru se tedy jakoby zvýší tuhost závěsu. V praxi se místo tuhost setkáte spíše s veličinou poddajnost, což je převrácená hodnota tuhosti. poddajnost c = 1 / tuhost k. Pokud se tedy zvýší tuhost, tak můžeme říct, že se snížila poddajnost. S tím se mění i ostatní parametry reproduktoru. Mimo jiné se zvyšuje rezonanční kmitočet a i celkový činitel jakosti. Pro každý reproduktor jsou vhodné jiné "výsledné parametry" a tudíž i relativně jiný objem ozvučnice.www.elweb.cz
www.elweb.cz
Kolika pásmovou reprosoustavu?www.elweb.cz
www.elweb.cz
Ideální by bylo, kdyby jeden jediný reproduktor dokázal dobře reprodukovat celé akustické pásmo od 20Hz do 20kHz. To však bohužel není možné. Vyrábějí se sice širokopásmové reproduktory, které hrají na téměř celém tomto frekvenčním rozsahu, ale nejnižší a nejvyšší kmitočty stejně dobře nezvládají. Není to ani kvalitou výroby, ale i z fyzikálního hlediska prakticky nelze "kvalitně" vytvářet akustický signál (zvukové vlny) od hloubek až po výšky jednou membránou. Pro nízké kmitočty jsou vhodné veliké membrány a pro vysoké kmitočty naopak velmi malé membrány. Pokud výrobce uvádí, že širokopásmový reproduktor s membránou o průměru 20cm hraje do 17kHz respektive jeho frekvenční rozsah je x až 17kHz, tak může mít pravdu. (viz minulý díl) Ale jak bude hrát na takto vysokých kmitočtech? Přinejmenším s velkým zkreslením. Aby byla 20cm membrána dostatečně tuhá, má (bohužel) také velkou hmotnost. A rozpohybovat několik desítek gramů 17000-krát za vteřinu tam a zpět tak, aby se hýbalo přesně podle signálu ze zesilovače a ne tak, jak je nutí setrvačnost je téměř nemožné. A i kdyby se to povedlo, tak takto velká membrána bude vždy na vysokých kmitočtech hodně směrovat. Bude hrát "lépe a hlasitěji" na ose (před reproduktorem) než mimo osu (ze šikma od reproduktoru). Proto se osazují reprosoustavy více reproduktory, z nichž každý hraje část frekvenčního pásma. Pro domácí použití se nejčastěji používají dvojpásmové a nebo tří pásmové soustavy. Dvojpásmová se skládá ze středobasového a výškového reproduktoru přičemž dělící frekvence se volí obvykle v řádu jednotek kHz podle typů reproduktorů. Třípásmová pak obsahuje basový, středový a výškový. Je jen na Vás na kolik pásem se rozhodnete lidským uchem slyšitelné frekvence rozdělit. Vše má své výhody a i nevýhody. Třípásmová soustava může mít na rozdíl od dvojpásmové větší basový reproduktor a tím pádem i lepší schopnost reprodukovat nejnižší kmitočty, na druhou stranu vyjde finančně náročněji a každé dělení akustického pásma přináší jisté problémy. Zdrojů zvuku je více a na dělících kmitočtech, kdy hrají oba dva "sousední" reproduktory s útlumem -3dB se spolu zvukové vlny před reprosoustavou nějak slučují, tzv. interferují. To jakým způsobem interferují v amatérských podmínkách téměř nelze zjistit, výsledkem pak může zvlnění na frekvenční a směrové charakteristice kolem těchto dělících kmitočtů. Z tohoto hlediska jsou nejlepší reproduktory koaxiální. To jsou takové reproduktory, který obsahují více měničů (měnič=reproduktor) umístěných "na sobě". Například uprostřed membrány basového je přímo umístěna kalota (membrána charakteristického vypuklého tvaru) výškového měniče, která je na basové membráně zcela nezávislá. Zvukové vlny pak vycházejí pouze z jednoho bodu, i když je jejich zdrojů více. Velmi dobré koaxiály má v nabídce například firma seas. www.elweb.cz
www.elweb.cz
Poznámka: I když tento článek může vypadat pro některé na první pohled jako odborný, tak upozorňuji, že se v něm mohou vyskytovat drobné nepřesnosti, jelikož je (stejně tak jako všechny články na elwebu) psaný amatérem, studentem střední školy, tedy mnou ;o) Články jsou odrazem mých názorů a myšlenek, nikoliv výtahem z knih.www.elweb.cz
www.elweb.cz

www.elweb.cz
www.elweb.cz



<< předchozí článek
0199O reproduktorech a ozvučnicích 1. díl
proč stavět?, výkon a příkon, parametry reproduktorů
další článek     >>
0399Mikrokontroléry PIC: sběrnice I2C a externí eeprom (můj článek na HW.cz)

(c) Martin Olejár, 1999 ÷ 2017 :: www.elweb.cz :: kontakt TOPlist