Co to jest obudowa band-pass?

Dzisiaj już niemal zapomniane, ale przecież w swoim czasie imponujące i budzące respekt były nie tylko Reference KEF-a, ale też flagowe Jamo - Oriele, flagowe Isophony - Europa, a wszystkie one (i wiele więcej) miało sekcję niskotonową opartą na obudowie pasmowo-przepustowej.

Nawet najlepsza konstrukcja Tonsilu sprzed ćwierć wieku - Bolero... Popularność band-passu wiązała się zarówno z rzeczywistymi zaletami, jak też smakiem nowości i jednocześnie skomplikowania.

Taka obudowa była znacznie trudniejsza przede wszystkim do zaprojektowania i kto się na takie rozwiązanie odważył, co najmniej sugerował zaawansowanie konstruktora i jego konstrukcji.

Po pewnym czasie to paliwo się wyczerpało i większość doszła do wniosku, podobnie jak w przypadku linii transmisyjnej, że obudowa pasmowo-przepustowa nie jest rozwiązaniem opłacalnym, gdy rozważyć wszystkie jej zalety i wady.

Jest jednak zasadnicza różnica nie tylko między sposobem działania, ale i sposobem projektowania linii transmisyjnej i obudowy band-pass. Pierwsza nie poddaje się łatwo modelowaniu i metodom symulacyjnym, pozwala obliczyć swoje charakterystyki tylko z dużym przybliżeniem.

Wpływ wielorakich rezonansów, wynikających z długości całej linii, jak i poszczególnych fragmentów, modyfikowany wytłumieniem, wprowadza bardzo dużo zmiennych i ostatecznie konieczny jest szereg eksperymentów. Jednak ta trudność wciąż daje niektórym nadzieję... że wreszcie znajdą Świętego Gralla, że doskonałe brzmienie wciąż pozostaje do odkrycia.

Obudowa band-pass, mimo że skomplikowana i występująca w wielu wariantach, dość szybko dała się oswoić. Mogą ją projektować nawet hobbyści; dzisiaj za pomocą powszechnie dostępnych programów, a wcześniej - wzorów i tabelek.

Jej projektowanie opiera się bowiem na tym samym zestawie parametrów, jaki jest potrzebny do projektowania bas-refleksów; można powiedzieć, że wzór na band-pass jest bardziej skomplikowany niż na bas-refleks, ale nie zawiera żadnych nowych działań i takich niewiadomych, które trzeba by ustalać na drodze prób i błędów.

To z kolei doprowadziło do szybszego i ostatecznego wyjaśnienia, jakie są możliwości obudowy pasmowo-przepustowej, we wszelkich jej odmianach. W zasadzie zniknęła ona z konstrukcji wielodrożnych systemów głośnikowych.

Od czasu do czasu trafi się nam linia transmisyjna, ale ostatniego testu konstrukcji z band-passem już nie pamiętam... Najdłużej ostały się w subwooferach (zwłaszcza samochodowych), chociaż i tam stanowią dzisiaj zdecydowaną mniejszość.

Mimo to warto sobie przypomnieć, "jak to działa", bo w pewnych sytuacjach właściwości tego systemu mogą okazać się odpowiednie, a nawet zdecydowanie korzystniejsze od jakichkolwiek innych.

Dodatkowym walorem może też być swoista "dyskrecja" układu band-pass - głośnik niskotonowy zawsze znajduje się w środku, a na zewnątrz promieniuje otwór (membrany bierne w Adante są rozwiązaniem wyjątkowym), więc kolumny z niepozornym (na zewnątrz) układem głośnikowym mogą zaskoczyć potężnym basem.

Czytaj również: Co to jest obudowa z linią transmisyjną

Band-pass - jak to działa

Najprostszy band-pass składa się z dwóch komór - jednej zamkniętej, drugiej z otworem (tunelem). Głośnik znajduje się w wewnętrznej przegrodzie, a więc energia od jednej strony membrany jest wytłumiana (w komorze zamkniętej), a energia od drugiej - pobudza układ rezonansowy (komory z otworem, który tworzy rezonator Helmholtza - jak w bas-refleksie).

Układ promieniuje więc energię z charakterystyką częstotliwościową podobną jak obudowa bas-refleks, ale bez promieniowania bezpośrednio od głośnika (od przedniej strony membrany); charakterystyka ta zależy zarówno od parametrów głośnika, od wpływu na tę charakterystykę obydwu komór (które podniosą częstotliwość rezonansową fs i dobroć Qts), jak i od własnej częstotliwości rezonansowej komory z otworem.

Będzie to charakterystyka od dołu ograniczona charakterystyką samego głośnika (pracującego w określonych warunkach), a od góry - charakterystyką układu rezonansowego komory z otworem, bowiem taki układ, podobnie jak bas-refleks, jest dolnoprzepustowym filtrem akustycznym - "przepuszcza" częstotliwości poniżej rezonansu, blokuje częstotliwości powyżej rezonansu.

A ponieważ filtrowanie górnoprzepustowe pochodzi od charakterystyki samego głośnika, stąd cały układ ma właściwości pasmowo-przepustowe (pasmo ograniczone z dwóch stron), z nachyleniem 12 dB/okt.

Czytaj również: Czy wąska obudowa kolumny jest akustycznie najkorzystniejsza?

Teoretycznie układ taki może mieć lepszą charakterystykę impulsową niż klasyczny bas-refleks - poniżej częstotliwości rezonansowej (układu rezonansowego obudowy) charakterystyka nie jest determinowana przeciwną fazą promieniowania otworu i głośnika (jak w bas-refleksie), co prowadzi do nachylenia charakterystyki wypadkowej zbliżającego się do asymptoty 24 dB/ okt.

Aby jednak uzyskać dobre rozciągnięcie i odpowiedź impulsową, trzeba utrzymać niski rezonans fc i niską dobroć Qtc, co nie jest łatwe w warunkach zamknięcia między dwiema komorami, zwłaszcza gdy mają niewielką objętość. Dlatego częściej wspominane są inne zalety obudowy pasmowo-przepustowej.

Filtrujące działanie obudowy pozwala teoretycznie wyeliminować ze zwrotnicy elektrycznej filtr dolnoprzepustowy - o ile wystarczy nam nachylenie 12 dB/okt.; takie by zwykle wystarczyło, jednak filtr akustyczny nie jest tak pewny w swoim działaniu jak filtr elektryczny (obudowa i tunel generują rezonanse pasożytnicze, więc dodanie filtra elektrycznego w praktyce i tak jest koniecznie.

Poza tym wybór częstotliwości rezonansowej obudowy, a więc częstotliwości, powyżej której nastąpi spadek, nie jest zupełnie dowolny). Gdy chce się uzyskać ładną charakterystykę, leży ona w zakresie niskich częstotliwości, więc takie filtrowanie sekcji niskotonowej możliwe jest tylko w układach, gdzie planowane jest ustalenie niskiej częstotliwości podziału (a więc głośnik średniotonowy jest odpowiednio wytrzymały).

W sumie ta właściwość (filtrowania dolnoprzepustowego) raczej utrudnia, niż ułatwia zadanie konstruktorowi. Koniec końców jest wreszcie "coś", co stanowi jednoznaczną zaletę układów pasmowo-przepustowych.

Czytaj również: Dlaczego niektóre kolumny mają pochylone przednie ścianki? Czy przyniesie poprawę pochylanie do tyłu "normalnych" kolumn?

W obudowie zamkniętej częstotliwość rezonansowa głośnika rośnie z fs do fc. Można powiedzieć, że układ drgający jest hamowany przez zmniejszenie podatności i w zakresie najniższych częstotliwości nie jest narażony na bardzo duże amplitudy (w każdym razie są one mniejsze, niż gdyby głośnik nie został w ogóle zabudowany).

Z kolei w obudowie bas-refleks, w okolicach ustalonej częstotliwości rezonansowej obudowy następuje efekt niemal całkowitego "wyhamowania" ruchu membrany, ale poniżej tego rezonansu, w zakresie najniższych częstotliwości, głośnik nie czuje "oparcia" w obudowie, powietrze przechodzi swobodnie przez otwór, a układ drgający jest narażony na tak duże amplitudy, jakby nie znajdował się w żadnej obudowie.

Obudowa pasmowo-przepustowa, składająca się z komory zamkniętej i komory z otworem, łączy wpływy obydwu komór na głośnik, a więc ogranicza wychylenie zarówno w zakresie najniższych częstotliwości (wpływ komory zamkniętej), jak i w wybranym zakresie częstotliwości rezonansowej (komory z otworem). 

Pozwala to dostarczyć do głośnika dużą moc i uzyskać wysoki poziom ciśnienia akustycznego, chociaż tylko w dość wąskim zakresie. Taki schemat jest nazywany obudową pasmowo-przepustową zamkniętą (jako że jedna z komór jest zamknięta, to oczywiście druga musi mieć otwór, skoro głośnik jest w środku).

Czytaj również: Czy obudowa kolumny jest potrzebna po to, aby działać jako pudło rezonansowe?

Obudowa pasmowo-przepustowo otwarta ma już otwory w obydwu komorach; trzeba je jednak dostroić bardzo precyzyjnie do różnych częstotliwości, aby ciśnienia promieniowane przez obydwa nie nakładały się w zakresach, w których są w przeciwfazie (przecież obydwie komory są równocześnie "zasilane" falami tych samych częstotliwości, a będących dokładnie w przeciwfazie, bo pochodzących od dwóch stron membrany).

Taka obudowa może rozszerzyć zakres pracy i odciążyć głośnik od dużych amplitud w dwóch wybranych zakresach (ale już nie przy najniższych częstotliwościach, gdzie głośnik przepompowuje swobodnie powietrze przez obydwie komory i ich otwory). Będzie miała jednak gorszą odpowiedź impulsową - w zakresie najniższych częstotliwości zachowuje się podobnie jak bas-refleks, pokazując zbocze dążące do 24 dB/okt.

Jeszcze inna odmiana to band-pass z interportem (zastosowany w Adante) - do układu obudowy pasmowo-przepustowej zamkniętej zostaje dodany`tunel (port) w przegrodzie pomiędzy komorami (w tej samej, w której znajduje się głośnik), co wywołuje powstanie dodatkowego układu rezonansowego, składającego się z wypadkowej podatności obydwu komór i masy powietrza w "interporcie" również odciążającego układ drgający głośnika w ustalonym zakresie.

Można też taki system obserwować jako układ bas-refleks (komora "za" głośnikiem), do którego "przed" głośnikiem i otworem dodano komorę z kolejnym otworem (filtruje ona równocześnie promieniowanie z głośnika i otworu umieszczonego wewnątrz). 

Są też jeszcze bardziej skomplikowane band-passy, które można łączyć kaskadowo, wywoływać kolejne rezonanse i w ten sposób zwiększać wydajność systemu, przy stosowaniu głośników o umiarkowanej wielkości i mocy. W tej dziedzinie wyspecjalizowała się niegdyś firma Bose serwując subwoofery Acoustimas - niewielkie, ale skomplikowane układy akustyczne.

Dzisiaj modelowanie nawet najbardziej skomplikowanych układów pasmowo-przepustowych nie jest już problemem, mimo to nie uruchamiają one już tak jak dawniej wyobraźni konstruktorów.