• Wytrzymałość mocowa

    Jednym z ważnych parametrów głośnika jest moc znamionowa. Dla głośników niskotonowych mierzona jest przy częstotliwości 1kHz według odpowiedniej normy (niestety nie ma jednej normy, więc porównywanie głośników różnych firm pod tym kątem może nie być obiektywne). Moc typowego głośnika o średnicy 18cm średniej klasy wynosi 60W.

    Czy to oznacza, że możemy do tego głośnika bez obaw o jego zniszczenie podać 60W?
    Niestety nie zawsze. Owszem, taki głośnik wytrzymuje 60W przy 1kHz, ale zespół głośnikowy lub subwoofer przenosi częstotliwości znacznie niższe, tj. poniżej 50Hz. W zależności od rodzaju obudowy (bass-reflex, pasmowo-przepustowa, zamknięta), jej wielkości oraz częstotliwości strojenia (Fb) wytrzymałość mocowa zmienia się diametralnie.

    Parametry potrzebne do symulacji wytrzymałości mocowej

    W czasie projektowania obudowy charakterystyki mocowe są bardzo ważne, nie należy ich pomijać. Aby obejrzeć wykresy należy zaopatrzyć się w program symulacyjny np. BassBox 6 Pro (wyniki z WinIsdPro nie są jeszcze dopracowane). Do programu, oprócz podstawowych parametrów T/S służących do obliczenia wielkości obudowy, należy podstawić dodatkowe trzy:

    • Sd - powierzchnia promieniująca dźwięk (powierzchnia membrany + powierzchnia połowy górnego zawieszenia)
    • Pe - moc znamionowa głośnika
    • Xmax - liniowa amplituda w jedną stronę. Niektórzy producenci nie podają tego parametru, ale jeśli podają wysokość szczeliny i wysokość cewki (samego uzwojenia, a nie karkasu z cewką) można go obliczyć. Poniżej znajduje się przekrój głośnika:


    Potocznie mówi się, że przepływ prądu przez cewkę, która "osadzona" jest w polu magnetycznym magnesu powoduje ruch membrany. Dokładniej magnes "przekazuje" swoją "energię" do nabiegunnika który kształtuje stałe pole magnetyczne dla cewki. Skoro nabiegunnik jest źródłem stałego pola magnetycznego dla cewki, to wystarczy znać jego wysokość oraz wysokość cewki aby obliczyć Xmax. Kiedy część cewki zaczyna "wynurzać się" z pola magnetycznego nie działają już na nią żadne siły, a tym samym jest to maksymalna liniowa amplituda. Wzór jest następujący:

    W = (Hcew - Hnab) /2

    gdzie ( w mm):
    • Hcew - wysokość cewki
    • Hnab - wysokość nabiegunnika

    Powyższy wzór jest skuteczny dla głośników z wysoką cewką i krótką szczeliną (w ten sposób zbudowanych jest 99% głośników niskotonowych).

    Jeśli mamy głośnik z wysokim nabiegunnikiem i krótką cewką wzór nabiera postaci:

    W = (Hnab - Hcew) /2

    Przykład: głośnik z wysoką cewką i krótkim nabiegunnikiem. Wysokość cewki = 20mm, wysokość nabiegunnika 4mm. H = (20 - 4) /2, czyli 16 /2 = 8. Xmax wynosi zatem 8mm.

    Closed, Bass-reflex, Band-pass

    Poniższe symulacje dotyczą trzech "optymalnych obudów":
    • Closed: Qtc = 0,707 ; Ql = 7 ; F3 = 64Hz
    • Bass-reflex: Qb3 ; Ql = 7 ; F3 = 30Hz
    • Band-pass (wentylowany z jednej strony): Ql = 7 (obie komory) ; F3 = 33Hz

    Pierwszy wykres pokazuje maksymalne ciśnienie akustyczne w w/w obudowach:
    • Closed
    • Band-pass
    • Bass-reflex


    Najgorzej wypada obudowa zamknięta, spadek zaczyna się od 60Hz i jest w miarę łagodny.
    Obudowa band-pass jest o wiele lepsza, do 40Hz mamy 100% mocy (skutek małej zamkniętej komory), poniżej zaczyna się już ostry spadek. Wyjaśnienia wymaga jeszcze spadek powyżej 150Hz. Jak wiadomo tego typu budowa jest akustycznym filtrem dolnoprzepustowym, a więc ciśnienie przy wyższych częstotliwościach opada (powyżej 500Hz spada już bardzo ostro, program przedstawił to jedynie symbolicznie).
    Bass-reflex zaczyna spadek przy 60Hz, jednak przy 28Hz ciśnienie akustyczne zwiększa się osiągając maksimum. 30Hz to częstotliwość strojenia otworu, teraz widać jaki zysk daje jego stosowanie. Poniżej 27Hz mamy już ostry spadek powodowany przesunięciem fazy w otworze (12dB spadek głośnika + 12dB spadek otworu daje nam 24dB/okt).

    Poniżej znajduje się wykres amplitudy głośnika. Xmax tego głośnika wynosi 8mm:


    Obudowa zamknieta wypada znakomicie. Teoretycznie nie da się uszkodzić głośnika przykładając do niego pełną moc. Mimo, że amplituda w tej obudowie wynosi 10mm, a głośnika 8mm, to jej przekroczenie niczym nie grozi. Maksymalna amplituda głośników niskotonowych jest często 50 do 100% większa niż Xmax.
    Obudowa band-pass znowu w środku, komora zamknięta robi swoje i nie pozwala na zbyt duże wychylenie.
    Bass-reflex wypada tragicznie. Głośnik poniżej 25Hz pracuje tak, jak by nie miał obudowy - jest to jedna z wad tego typu obudów. Przy 28Hz (Fb) pracę głośnika przejmuje otwór odciążając go (a dokładniej rezonans powietrza w otworze), co przejawia się niską amplitudą.

    A w praktyce...

    ...nie należy się zbytnio przejmować niską wytrzymałością poniżej 25Hz. Jeśli chcemy uzyskać pełną moc jedynym ratunkiem są obudowy zamknięte z Qtc powyżej 0,8. Wtedy jednak rezygnujemy z niskiego basu.

    W przypadku subwooferów aktywnych można stosować filtry subsoniczne. Są to filtry górnoprzepustowe z bardzo niską częstotliwością podziału, około 20-25Hz. Taki filtr zaczyna obcinać częstotliwości poniżej np. 25Hz, dzięki czemu głośnik nie jest narażony na bardzo duże amplitudy (większość głośników i tak nie odtworzy poprawnie tego zakresu częstotliwości), a przy okazji wzmacniacz oraz zasilacz mniej się "męczą". Tego typu filtry powinny być wysokich rzędów i koniecznie posiadać charakterystykę Butterworth'a!


    Na koniec kilka ciekawostek.

    Jak uszkodzić głośnik?

    Oczywiście nikt celowo tego nie robi, ale jeśli już nam się to zdarzy dobrze wiedzieć JAK - ta wiedza może przy okazji ocalić nie jeden głośnik. Można to zrobić na dwa sposoby:
    • mechaniczne
    • termiczne

    Głośniki wysokotonowe można uszkodzić termicznie. Karkas cewki wysokotonowca jest bardzo mały, a więc nie jest w stanie odprowadzić zbyt dużo mocy. Oprócz tego cewka jest wykonana z bardzo cienkiego drutu, bardzo łatwo można ją przepalić (szczególnie w kopułkach TVM Tesla). Poniżej zdjęcie które wykonałem w trybie MAKRO (na tyle na ile pozwolił mi mój aparat) cewki głośnika Audax TW025A0 z zapałką:


    W praktyce cewka jest jeszcze cieńsza, odbicie światła spowodowało pogrubienie. Grubość jest porównywalna z ludzkim włosem.

    W przypadku uszkodzenia cewki należy zakupić nową wraz z kopułką, wymiana jest bardzo prosta. Wystarczy odkręcić płytę czołową głośnika, wyjąć starą cewkę z mocowaniem i nałożyć nową.

    Głośniki średniotonowe można uszkodzić na oba sposoby w zależności od ich budowy. Jeśli są to duże głośniki o średnicy 14cm przeważnie jest to uszkodzenie mechaniczne.
    Jeżeli z jakiegoś powodu wzmacniacz poda bardzo dużą moc na głośnik (np. przesteruje się), cewka całkowicie wychyli się z pola magnetycznego, ale nie zatrzyma się od razu. Będzie tak rozpędzona, że przekroczy Xmax i opuści szczelinę magnetyczną. Powracając może zahaczyć o jej brzeg i się uszkodzić. Jeśli to samo stanie się w drugą stronę, cewka uderzy z dużą siłą o dno magnesu i: albo karkas się zdeformuje, albo zwoje cewki zsuną się z karkasu.
    Może również wystąpić sytuacja, kiedy po kilku godzinach głośnego grania cewka odklei się częściowo od karkasu (przy wysokich temperaturach kleje mają słabszą wytrzymałość). Wszystkie powyższe sytuacje powodują nieodwracalne uszkodzenie głośnika. Tutaj wymiana jest już bardzo trudna, należy odkleić kopułkę, potem cewkę i przykleić nową dokładnie ją centrując. Wymaga to doświadczenia, początkującym nie polecam tego typu napraw.

    W przypadku głośników niskotonowych w 90% są to uszkodzenia mechaniczne.

    Progresywne zawieszenie - czyli jak nie zniszczyć głośnika

    W przypadku typowych głośników, rozpędzona dużą mocą cewka opuszcza szczelinę lub uderza o dno magnesu - nic jej nie zatrzymuje.
    Są jednak głośniki skonstruowane tak, że przy dużych amplitudach kończą się możliwości mechaniczne zawieszenia. Cewka nie wychyli się dalej, ponieważ dolny i górny resor jest już maksymalnie wychylony. Dzięki temu głośnik jest niezniszczalny mechanicznie, można go uszkodzić jedynie termicznie. Osobiście znam jedną firmę (domowe HI-FI) która stosuje takie właśnie zawieszenia - PHL, cena odstrasza jednak przeciętnego zjadacza chleba. Poniżej zdjęcie zawieszenia typu "S" (nazwa od kształtu) 16 cm głośnika PHL:


    Duża większość domowych głośników nie posiada tego typu zawieszenia, są to patenty zarezerwowane raczej do nagłośnienia estradowego.

    Najlepszym zabezpieczeniem dla głośnika jest dobrze skonstruowana zwrotnica i rozważny użytkownik. Kiedy słyszysz trzaski dochodzące z głośnika wysokotonowego, lub uderzanie cewki o dno magnesu w niskotonowcu to znaczy, że możliwości głośnika się już wyczerpały.

    Jarosław Sobólski
    js(at)data(dot)pl