Elementy konstrukcyjne kolumn głośnikowych

Głośnik to tylko jeden z elementów konstrukcyjnych całej kolumny. Niezbędne są jeszcze chociażby terminale głośnikowe, a w modelach wielodrożnych zwrotnice. Niezwykle istotna jest również odpowiednia obudowa.

Nie przez przypadek projektowaniem i konstrukcją kolumn głośnikowych zajmują się wyspecjalizowane fi rmy. Różnorodność konstrukcyjna i tym samym cenowa produkowanych modeli pozwala dobrać odpowiedni model do preferencji użytkownika. Cena i jakość wykonania z reguły idą w parze z brzmieniem dźwięku wytwarzanego przez kolumnę. Przed dokonaniem zakupu warto posłuchać brzmienia kolumn, wykorzystując dobrze znane utwory muzyczne. Wówczas można przekonać się, czy słyszalna jest różnica w brzmieniu pomiędzy poszczególnymi konstrukcjami, zarówno tymi z wysokiej, średniej, jak i niskiej półki. W kolumnach głośnikowych stosuje się różnorodne terminale głośnikowe, zwrotnice i obudowy. Konstruktorzy nie zapominają o tym, czego często nie widać, a więc o wnętrzu kolumny, w którym stosuje się często różne przegrody i materiały wytłumiające.

Terminale głośnikowe

Terminale głośnikowe umożliwiają podłączenie kolumn do urządzenia je zasilającego, a więc np. wzmacniacza lub amplitunera. Mogą być zaciskowe (zwykle w tańszych modelach kolumn głośnikowych) lub zakręcane. Terminale zakręcane pozwalają na zastosowanie kabli z tzw. złączami bananowymi lub zakończonych widełkami. Ponadto umożliwia to zastosowanie przewodów głośnikowych o grubszym przekroju. Złącza bananowe umieszcza się wewnątrz otworów zacisku głośnikowego, natomiast widełki umieszcza się pod nakrętką i nią dociska (podobnie jak w wypadku kabla z odizolowaną końcówką). Jeżeli kolumna głośnikowa ma dwie pary terminali głośnikowych, wówczas możliwe jest podłączenia jej do wzmacniacza w bi-ampingu lub bi-wiringu. Bi-amping pozwala wykorzystać dodatkowy wzmacniacz do zasilania odrębnej sekcji głośników, tzn. jeden podpinamy kablem głośnikowym do gniazd powiązanych z głośnikami odpowiedzialnymi za tony wyższe, a drugi wzmacniacz do gniazd odpowiedzialnych za niższe. W ten sposób pasmo podzielone jest na dwa zakresy, obsługiwane przez osobne wzmacniacze. Najlepiej, aby miały one taką samą moc, w innym wypadku mogą występować różnice w głośności poszczególnych podpasm. W wypadku kolumn trójdrożnych jeden ze wzmacniaczy może zasilać głośnik niskotonowy, a drugi średnio- i wysokotonowy. Taki podział nie tylko zwiększa moc przeznaczoną do napędzenia głośnika, ale także separację między poszczególnymi pasmami częstotliwości. Bi-wiring polega na tym, że z jednego wyjścia wzmacniacza prowadzimy dwa dwużyłowe kable głośnikowe. Jeden podłączamy do jednej pary gniazd na kolumnie (odpowiedzialnych najczęściej za głośniki wysokotonowe), drugi podłączamy do drugiej pary (przeznaczonej dla sekcji niskotonowej). W wypadku większej liczby terminali wykorzystuje się dodatkowy kabel głośnikowy, podpinany analogicznie jak w opisywanym przypadku, a więc z tego samego wyjścia wzmacniacza do terminali głośnikowych odpowiedzialnych za kolejne pasmo częstotliwości. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość wykorzystania kabla o innych parametrach (np. przekroju) do zasilenia innych głośników w kolumnie. W kolumnach głośnikowych oprócz tradycyjnych terminali stosuje się także połączenia TRS lub XLR. Złącze TRS, czyli popularny jack, bierze swoją nazwę od anglojęzycznych określeń wynikających z jego konstrukcji: T (tip) – końcówka, R (ring) – pierścień oraz S (sleeve) – rękaw, tuleja. Wykorzystanie symetrycznego połączenia TRS umożliwia przesyłanie sygnału na stosunkowo dużą odległość przy zachowaniu dużej odporności na zakłócenia. Złącze XLR, opracowane przez Jamesa H. Cannona, założyciela fi rmy Cannon Electric, na kilka odmian. Ta najpopularniejsza składa się z trzech pinów odpowiednio ponumerowanych: 1 oznacza masę, 2 to sygnał (tzw. plus), natomiast 3 to ten sam sygnał odwrócony w fazie (tzw. minus). Złącze XLR wykorzystywane jest w rozwiązaniach profesjonalnych.

Zwrotnice głośnikowe

Zastosowana w kolumnie głośnikowej zwrotnica umożliwia podział częstotliwości słyszalnych na podpasma, które są następnie przesyłane do głośników odpowiedzialnych za ich odtwarzanie. Liczba takich podpasm określa drożność kolumny, a więc np. kolumna dwudrożna ma podzielone odtwarzane pasmo częstotliwości na dwa zakresy, a każdy z nich odtwarzany jest przez odpowiedni głośnik lub głośniki. W zwrotnicach do podziału pasma częstotliwości wykorzystywane są różnorodne fi ltry (dolnoprzepustowe, pasmowoprzepustowe i górnoprzepustowe). Ich właściwości określają m.in. również zakres tłumienia na granicach fi ltru (przez odpowiednie nachylenie zbocza opadającej charakterystyki). Nachylenie zbocza fi ltru podaje się w decybelach na oktawę (dB/okt.). Może ono wynosić np. 6 lub 12 dB/okt., a nawet 30 dB/okt. Im większa wartość, tym bardziej strome nachylenie zbocza fi ltru. Różne są ponadto charakterystyki fi ltrów. Ich nazwy wywodzą się od nazwisk konstruktorów. Wyróżnia się m.in. fi ltry Butterwortha, Czebyszewa czy Bessela. Zwykle nie ma ostrej granicy częstotliwościowej między poszczególnymi fi ltrami zastosowanymi w zwrotnicy, a poszczególne charakterystyki fi ltrów krzyżują się w pewnym punkcie, zwanym punktem przecięcia lub częstotliwością podziału. Płynne przejścia pomiędzy poszczególnymi zakresami sprawiają, że nie pojawiają się niepożądane zniekształcenia w słyszalnym sygnale wytwarzanym przez kolumnę. Możemy wyróżnić dwa rodzaje zwrotnic głośnikowych: pasywne i aktywne. Zwrotnice aktywne mogą być zrealizowane w domenie cyfrowej lub analogowej. Modele analogowe wykonywane są przy użyciu m.in. rezystorów, kondensatorów, cewek i wzmacniaczy operacyjnych. Konstrukcje cyfrowe do przetwarzania sygnału wykorzystują natomiast procesory sygnałowe. Zwrotnice pasywne wykorzystują zewnętrzny wzmacniacz mocy, a więc sygnały wychodzące ze zwrotnicy trafi ają bezpośrednio do głośnika kolumny odpowiedzialnego za przetwarzanie odpowiedniego zakresu częstotliwości. Elementy stosowane do ich budowy muszą być odporne na duże obciążenia. Z kolei w zwrotnicach aktywnych (stosowanych np. w aktywnych zespołach głośnikowych) każde wydzielone pasmo, zanim trafi do odpowiedniego głośnika, jest przepuszczane przez wzmacniacz mocy (odrębny dla każdego podpasma częstotliwości). Niektóre zwrotnice aktywne umożliwiają regulację częstotliwości podziału. Możliwe jest ponadto wykorzystanie w jednej kolumnie głośnikowej zarówno układów pasywnych, jak i aktywnych. Ze względów na koszty w kolumnach głośnikowych częściej wykorzystuje się tańsze w produkcji zwrotnice pasywne.

Rodzaje obudów kolumn głośniowych

Kolumny głośniowe mają różnorodne obudowy. Ich rozmiary i kształty, oprócz uwarunkowań technicznych, są ograniczone jedynie fantazją projektantów i producentów. Przykładem niezwykłego rozwiązania architektonicznego jest chociażby model Nautilus fi rmy Bowers & Wilkins. Jednym z zadań, jakie pełni obudowa, jest oddzielenie przedniej i tylnej strony membrany głośnika. Pozwala to uzyskać odpowiednią skuteczność podczas wytwarzania fali akustycznej. Rozmiary każdej obudowy głośnikowej, niezależnie od konstrukcji, muszą być dokładnie wyliczone, ponieważ wpływają one na właściwości zamontowanych głośników, a tym samym na jakość dźwięku przez nie wytwarzanego. Najczęściej spotyka się kolumny głośnikowe w obudowie zamkniętej lub bass-refl ex.

Obudowa zamknięta

Kolumna głośnikowa o obudowie zamkniętej charakteryzuje się szczelną konstrukcją. Jest to stosunkowo najprostsza konstrukcja z popularnie stosowanych obudów głośnikowych. Obudowa zamknięta, zależnie od swoich wymiarów, wpływa na brzmienie zamontowanych w niej głośników. Aby tak nie było, musiałaby ona mieć nieskończenie wielkie wymiary. Dlatego też niezwykle istotna jest nie tylko jej objętość, ale także wymiary poszczególnych elementów (podstaw i ścian bocznych). Powietrze zawarte w obudowie zamkniętej jest wykorzystywane jako sprężyna, a więc jest niemal jak dodatkowe zawieszenie dla głośnika. Pozwala to kontrolować ruch membrany takiego przetwornika.

Obudowa bass-reflex

Otwór tunelu bass-reflex zazwyczaj znajduje się na tylnej lub przedniej ścianie obudowy kolumny głośnikowej.

Obudowa z otworem bass-reflex zapewnia lepsze wykorzystanie energii w zakresie przetwarzania najniższych częstotliwości. Jest chyba najczęściej spotykanym typem obudowy w kolumnach głośnikowych. W konstrukcji bass-refl ex wykorzystywana jest fala promieniowana przez tylną stronę membrany. Powietrze wytwarzane wewnątrz obudowy wypromieniowywane jest przez otwór. Oprócz odpowiednich wymiarów obudowy niezwykle istotne są parametry tunelu bass-refl ex, m.in. jego długość. Zbyt długi tunel może powodować powstawanie niekorzystnych rezonansów. Otwór bass-refl ex może mieć różne kształty. Najczęściej ma kształt koła lub elipsy, ale można spotkać także otwory prostokątne (niewielka szczelina, przypominająca otwór w skrzynce na listy). Otwór bass-reflex może znajdować się na przedniej lub tylnej ścianie obudowy. Jego umiejscowienie nie wpływa na parametry dostrojenia. Nie oznacza to również, że otwór znajdujący się z tyłu wytwarza sygnał przeciwny w fazie niż otwór znajdujący się z na przedniej ścianie obudowy. Zarówno jedno, jak i drugie umiejscowienie otworu ma swoje wady i zalety. W wypadku otworu znajdującego się z tyłu mniej zauważalne są powstające rezonanse obudowy i tunelu bass-reflex. Z kolei zaletą otworu umieszczonego z przodu jest m.in. możliwość ustawienia kolumny bliżej ściany pomieszczenia. System bass-refl ex wymaga od wzmacniacza mniejszej mocy do wytworzenia niskich częstotliwości o ustalonym poziomie i ma większą sprawność.

Membrana bierna

W niektórych kolumnach głośnikowych, zamiast otworu bass-reflex można spotkać membranę bierną, która do złudzenia przypomina tradycyjny głośnik. Nie ma jednak jego niektórych elementów konstrukcyjnych, np. cewki czy magnesu, czyli po prostu układu napędowego. Mimo to membrany bierne, tak jak klasyczne głośniki, mają parametry Thiele’a-Smalla, jest ich jednak znacznie mniej z uwagi na uboższą konstrukcję. Oczywiście, zamiast membrany biernej można zastosować tradycyjny, lecz niepodłączony głośnik. Jest to jednak rozwiązanie znacznie bardziej kosztowne, a przez to raczej niestosowane przez producentów. Membrana bierna spełnia podobne funkcje jak otwór bass-reflex, a więc zwiększa efektywność przetwarzania niskich tonów. W porównaniu z otworem bass-reflex nie wprowadza jednak dodatkowych podbarwień dźwięku pochodzących od rezonansów tunelu. Zastosowanie membrany biernej doskonale sprawdzi się w obudowach małych, w których wymagana długość tunelu bass-reflex przekraczałaby głębokość obudowy.

Materiały wykorzystywane na obudowę kolumny

Materiał, z którego wykonuje się obudowę kolumny głośnikowej, powinien charakteryzować się dużą stratnością, tzn. podczas drgań wywołanych zmianami ciśnienia powinno występować tarcie wewnętrzne, zamieniające energię mechaniczną na ciepło. Ważne są także grubość, odpowiednie połączenie i usztywnienie zastosowanych elementów, aby nie powstawały niepożądane rezonanse wewnątrz i na zewnątrz obudowy. Obudowy kolumn głośnikowych są wykonywane najczęściej z drewna, np. z płyt wiórowych, MDF (ang. medium denstity fi breboard) lub sklejki. Dodatkowo, aby zwiększyć stratność tego typu materiałów, wzmacnia się obudowy, np. grubą tekturą lub fi lcem. Wśród dotychczas produkowanych kolumn głośnikowych występowały nawet takie konstrukcje, które wykorzystywały dwie warstwy płyty MDF, pomiędzy którymi znajdowała się warstwa piasku.

Wytłumienie wewnątrz kolumny głośnikowej

Fale wytwarzane przez tylną stronę membrany głośnika zamocowanego w obudowie sprawiają, że wewnątrz kolumny, pomiędzy jej równoległymi ściankami, wytwarzane są niepożądane fale stojące. Aby to zjawisko zmniejszyć, buduje się konstrukcje o nierównoległych ściankach obudowy lub wytłumia się wnętrze za pomocą odpowiednich materiałów. Idealna pod względem rezonansów byłaby obudowa w kształcie kuli. Jest to jednak rozwiązanie trudne do realizacji pod względem technologii produkcji. Materiał wytłumiający wnętrze kolumny musi być odpowiedniej grubości, aby tłumienie nie było zbyt silne, ani też zbyt słabe. Odpowiednie wytłumienie zmniejsza odbicia od wewnętrznych ścian obudowy. Dzięki niemu maleją również niepożądane rezonanse, wynikające m.in. z wibracji obudowy. Zastosowanie wewnątrz obudowy materiałów wytłumiających pozwala na korygowanie jej wewnętrznych wymiarów. Do wytłumienia stosuje się np. wełnę mineralną lub gąbkę z poliuretanu. Dodajmy, że obudowy bass-reflex zwykle charakteryzują się mniejszym wytłumieniem niż kolumny z obudową zamkniętą.