Głośnik dynamiczny - najpopularniejsza konstrukcja

Podstawowym elementem zdecydowanej większości dostępnych na rynku kolumn jest głośnik dynamiczny, czyli przetwornik elektroakustyczny. Zamienia on sygnał elektryczny, jaki jest do niego dostarczany, na fale akustyczne, które jesteśmy w stanie usłyszeć.

Zanim przejdziemy do omawiania różnego typu kolumn głośnikowych, nazywanych także zespołami głośnikowymi, poruszymy zagadnienia związane z głośnikiem dynamicznym. Warto wiedzieć, jak on działa, jakie częstotliwości przetwarza i jakie mamy jego rodzaje. Każdy z głośników charakteryzuje się ponadto pewnymi parametrami, które wzięły swoją nazwę od dwóch uczonych: Alberta Neville’a Thiele’a i Richarda H. Smalla.

Budowa i zasada działania

Głośnik dynamiczny wykorzystywany w kolumnach to wbrew pozorom bardzo skomplikowana konstrukcja.

W dużej mierze to od wykonania głośnika zależy jakość odtwarzanej muzyki. Jak już wspomnieliśmy, w kolumnach głośnikowych najczęściej wykorzystuje się głośniki dynamiczne (inaczej magnetoelektryczne). Membrana jest połączona z cewką nawiniętą drutem (miedzianym lub aluminiowym). Cewka znajduje się w polu magnetycznym. Te dwa elementy stanowią układ drgający głośnika. Prąd przepływający przez cewkę głośnika wytwarza zmienne pole magnetyczne, do którego cewka jest wciągana lub wypychana z niego. Drgania cewki na skutek zmian pola magnetycznego przenoszą się na membranę. W zależności od kierunku i natężenia prądu przepływającego przez cewkę zmienia się więc także wychylenie membrany. Ruchy membrany wytwarzają słyszalne fale dźwiękowe. Aby podczas drgań membrany nie stykały się z pozostałymi elementami, przymocowane są do tzw. resora. W głośnikach dynamicznych z membraną stożkową wykorzystuje się dwa zawieszenia: dolne, czyli wspomniany resor, oraz górne, mocujące membranę z koszem głośnika. W konstrukcjach z membraną kopułkową wykorzystuje się pojedyncze zawieszenie. Odpowiednie zawieszenie membrany ma niebagatelny wpływ na brzmienie dźwięku wydobywającego się z głośnika. Sama membrana powinna być sztywna i zachowywać się neutralnie, a więc swoją konstrukcją nie wpływać negatywnie na brzmienie dźwięku. Kosz głośnika jest najczęściej wykonywany z metalu. Na koszu głośnikowym mogą znajdować się zaciski przyłączeniowe, umożliwiające np. podłączenie głośnika do instalacji znajdującej się wewnątrz obudowy.

Rodzaje głośników

Jak już wspominaliśmy, wśród głośników dynamicznych możemy wyróżnić konstrukcje z membraną stożkową oraz kopułkową. Występują także modele z membraną płaską. Materiałami najczęściej wykorzystywanymi w konstrukcji membran stożkowych są: polipropylen, kevlar, tytan, a także karton pokryty tworzywem sztucznym. W głośnikach kopułkowych ową kopułkę (wycinek kuli) nakłada się bezpośrednio na cewkę. Kopułka może być wypukła lub wklęsła. Głośniki kopułkowe charakteryzują się znacznie mniejszymi zniekształceniami dźwięku w porównaniu z konstrukcjami stożkowymi, zwłaszcza w zakresie wysokich częstotliwości. Głośniki z membraną płaską wytwarzają dźwięk całą efektywną powierzchnią membrany. Stąd też mniejsze są zniekształcenia. Membrany płaskie wykonuje się z tworzyw sztucznych, m.in. z poliuretanu, a także kartonu z domieszkami włókien węglowych.

Przetwarzane częstotliwości

Głośniki stosowane w kolumnach, w zależności od swojej konstrukcji, mogą przetwarzać różne zakresy częstotliwości pasma akustycznego. Dobiera się je odpowiednio i obudowuje, aby przetwarzany był jak najszerszy zakres częstotliwości akustycznych. Do najpopularniejszych konstrukcji ze względu na przetwarzane pasmo akustyczne zaliczamy głośniki: szerokopasmowe, niskotonowe, nisko-średniotonowe, średniotonowe i wysokotonowe. Modele szerokopasmowe umożliwiają odtwarzanie całego zakresu słyszalnych częstotliwości. Zwykle nie jest to jednak ten popularny zakres od 20 Hz do 20 kHz, a znacznie mniejszy. W dobrej klasy kolumnach głośnikowych raczej nie stosuje się głośników szerokopasmowych. Modele niskotonowe, przetwarzające najniższe częstotliwości pasma akustycznego, mają z reguły dużych rozmiarów membranę. Ma ona najczęściej dużą sztywność, a jej zawieszenie odporne jest na duże wychylenia. Podczas wytwarzania dźwięku przez głośnik niskotonowy mamy do czynienia ze stratami mocy. Wówczas cewki mocno się nagrzewają, dlatego w konstrukcji modeli niskotonowych niezbędne są dobrej klasy, wytrzymałe materiały. Modele średniotonowe przetwarzają zakres częstotliwości od ok. 500 Hz do 8 kHz. Stosowane są w niektórych konstrukcjach kolumn głośnikowych w celu poprawy przetwarzania środka pasma akustycznego. Modele nisko-średniotonowe mają właściwości pośrednie między modelami nisko- i średniotonowymi. Przetwarzają częstotliwości pasma akustycznego do ok. 5 kHz. Często zwane są popularnie wooferami lub głośnikami midbasowymi. Głośniki wysokotonowe przetwarzają wysokie częstotliwości pasma akustycznego (od 5 do nawet 25 kHz). Dźwięki o wysokich częstotliwościach rozchodzą się prostoliniowo. W celu poprawy przestrzenności wysokich tonów membrana głośnika wysokotonowego jest często wypukła (membrana kopułkowa). Głośniki niskotonowe wykorzystywane w kolumnach mają najczęściej membrany płaskie lub stożkowe, a głośniki średniotonowe i wysokotonowe mają najczęściej membrany stożkowe lub kopułkowe.

Inne konstrukcje głośników

Wśród różnorodnych konstrukcji głośników wyróżniamy ponadto konstrukcje tubowe i wstęgowe. W głośnikach tubowych membrana jest umieszczona w specjalnej komorze połączonej z tubą. To właśnie tuba, a nie membrana jest w tego typu konstrukcjach elementem promieniującym. Głośniki tubowe mogą być stosowane w kolumnach głośnikowych do przetwarzania dowolnego zakresu częstotliwości, choć w kolumnach do domowych zestawów audio często wykorzystuje się je jako głośniki wysokotonowe. Aby głośnik tubowy przetwarzał niskie tony, musi być odpowiednio duży. Na to można sobie pozwolić najczęściej w kolumnach estradowych. W głośnikach wstęgowych, które podobnie jak tubowe są obecnie wykorzystywane jako wysokotonowe, membranę stanowi lekki i cienki, metalowy pasek (np. aluminiowy) umieszczony w polu magnetycznym w specjalnej szczelinie. Modele wstęgowe mają niską impedancję i wymagają zastosowania specjalnych transformatorów, aby zapewniona była prawidłowa współpraca ze wzmacniaczami.

Parametry Thiele’a-Smalla

Głośniki wykorzystywane do budowy kolumn głośnikowych charakteryzują się rozmaitymi parametrami technicznymi, które powinny być wyraźnie podawane przez producentów. Dobrze, jeśli oprócz podstawowych danych producent podaje parametry Thiele’a-Smalla. Umożliwiają one zaprojektowanie odpowiedniej obudowy (m.in. o odpowiednich wymiarach, objętości). Parametrów tych jest całe mnóstwo. Niezbędnymi do wykonania podstawowych obliczeń są: częstotliwość rezonansowa głośnika w przestrzeni swobodnej, objętość ekwiwalentna oraz dobroć całkowita głośnika. Dodatkowymi parametrami mogą być jeszcze dobroć mechaniczna i elektryczna. Znając wartości tych parametrów, można, korzystając z odpowiednich wzorów matematycznych lub programu komputerowego, dokonać stosownych obliczeń i samemu zaprojektować obudowę dla zestawu przetworników elektroakustycznych. Istnieje wiele przeznaczonych do tego programów, także w darmowych wersjach.

Materiały do produkcji głośników

Do budowy głośników wykorzystuje się różnorodne materiały, które powinny zapewnić im prawidłowe, a przy tym długotrwałe działanie. Stosowane materiały powinny być odporne przede wszystkim na uszkodzenia mechaniczne, a w wypadku głośników zewnętrznych także na zmieniające się warunki atmosferyczne. Zasadniczymi elementami głośnika, do budowy których wykorzystuje się rozmaite surowce, są membrany i kosze głośnikowe. W konstrukcji membran głośnikowych wykorzystuje się m.in. papier, włókno szklane, a także metale (np. tytan). Popularnym materiałem na membrany głośnikowe są tworzywa sztuczne. Zastosowanie odpowiedniego tworzywa w znacznym stopniu kształtuje brzmienie głośnika. Niektórzy producenci do wykorzystywanych tworzyw sztucznych dodają domieszki metali. Często stosowanym materiałem jest kevlar. Jest to materiał z włókien szklanych, wynaleziony już w 1965 r. Jest odporny na rozrywanie, stąd jego zastosowanie w produkcji membran głośnikowych. Wykorzystywany jest także w technice lotniczej i kablach światłowodowych. Również zawieszenie membrany może być wykonywane z papieru, choć obecnie najczęściej stosuje się tworzywa sztuczne, np. PCW. Z kolei kosz głośnika najczęściej wykonuje się ze stali. Jest to jednak materiał stosunkowo tani i mało odporny na uszkodzenia mechaniczne. Znacznie większą wytrzymałość wykazuje kosz aluminiowy. Z uwagi na większą sztywność tego materiału jest on często stosowany w głośnikach niskotonowych, gdzie mamy do czynienia z dużymi wychyleniami membrany. Kosze głośnikowe mogą być wykonywane także z tworzyw sztucznych.