Co to jest obudowa z linią transmisyjną?

Audio, zespoły głośnikowe

Punktem wyjścia dla obudowy z linią transmisyjną było stworzenie idealnych warunków akustycznych do wytłumienia fali od tylnej strony membrany. Obudowa tego typu miała być układem nierezonującym, a jedynie izolującym energię od tylnej strony membrany (której nie można "po prostu" pozwolić na swobodne promieniowanie, gdyż jest w przeciwfazie z przednią stroną membrany).

Wchodzimy tutaj w kwestie elementarne, a zarazem skomplikowane i wiele sformułowań musi być skrótami, skoro ten temat nie może zająć połowy objętości AUDIO. Ktoś powie, że przecież w otwartych odgrodach tylna strona membrany promieniuje swobodnie...

Tak, ale korektę fazy (przynajmniej częściową i zależną od częstotliwości) zapewnia tam szeroka odgroda, różnicująca odległość od obydwu stron membran do słuchacza; w efekcie pozostającego dużego przesunięcia fazy między promieniowaniem obydwu stron membran, zwłaszcza w zakresie najniższych częstotliwości, odgroda otwarta jest obarczona wadą niskiej efektywności.

W bas-refleksie tylna strona membrany pobudza układ rezonansowy obudowy, którego energia zostaje wypromieniowana na zewnątrz, ale układ ten (tzw. rezonator Helmholtza) też przesuwa fazę, dzięki czemu w całym zakresie powyżej częstotliwości rezonansowej obudowy faza promieniowania przedniej strony membrany głośnika i otworu są mniej więcej zgodne.

Wreszcie obudowa zamknięta – ta ma na celu w najprostszy sposób zamknąć i wytłumić energię od tylnej strony membrany, nie robiąc z niej żadnego użytku ani nie narażając na pogorszenie odpowiedzi impulsowej (wynikające z działania układu rezonansowego obudowy bas-refleks). Jednak nawet tak teoretycznie proste zadanie wymaga staranności – fale promieniowane do wnętrza obudowy uderzają w jej ściany, wywołują ich wibracje, odbijają się i tworzą fale stojące, wracają do membrany, wprowadzają zniekształcenia.

Walka z tymi zjawiskami odbywa się doskonale znanymi sposobami, stosowanymi też w obudowach bas-refleks, poprzez wzmocnienie i ukształtowanie obudowy (dla rozproszenia fal wewnątrz), połączone z jej optymalnym wytłumieniem, służącym oczywiście "gaszeniu" energii akustycznej - de facto zamianie jej w ciepło. Z wytłumieniem nie można przesadzić, bo stwierdzono też, że gromadzone w wytłumieniu ciepło wpływa na działanie układu; zmieniając parametry obudowy, wprowadza nieliniowość i kompresję.

Swoją drogą, każda obudowa podnosi częstotliwość rezonansową i dobroć głośnika, co jednak może zostać uwzględnione przy projektowaniu zarówno samego głośnika, jak i obudowy, ale ostatecznie byłoby najlepiej, gdyby głośnik mógł swobodnie "oddać" energię tylnej strony membrany do układu, który wytłumiłby ją całkowicie i bezproblemowo – bez "zwrotnego" wpływu na głośnik i bez wibracji ścianek obudowy.

Teoretycznie taki układ stworzyłaby albo nieskończenie wielka obudowa, albo nieskończenie długi tunel, ale przecież... chodzi wreszcie o rozwiązanie praktyczne. Wydawało się, że odpowiednio długi (ale już skończony), ukształtowany (lekko zwężający się ku końcowi) i wytłumiony tunel spełni te postulaty przynajmniej w zadowalającym stopniu, działając lepiej niż klasyczna obudowa zamknięta. Ale i to okazało się trudne do uzyskania.

Najniższe częstotliwości są tak długie, że niemal w ogóle nie wytłumia ich nawet kilkumetrowa linia transmisyjna. Oczywiście, gdy "nie przepakujemy" jej materiałem tłumiącym, który pogorszy działanie pod innym względem.

Linie transmisyjne

Pojawiło się więc pytanie: Czy linię transmisyjną na końcu zamykać, czy pozostawić otwartą i uwolnić docierającą tam energię? Prawie wszystkie, zarówno klasyczne, jak i specjalne warianty linii transmisyjnych mają labirynt otwarty. Jest jednak co najmniej jeden bardzo ważny wyjątek - obudowa oryginalnego Nautilusa B&W, z labiryntem (ukształtowanym jak skorupa ślimaka) zamkniętym na końcu.

To jednak konstrukcja specyficzna pod wieloma względami; wraz z zastosowanym głośnikiem niskotonowym o bardzo niskiej dobroci, charakterystyka przetwarzania opada łagodnie, ale bardzo wcześnie, i w takiej surowej postaci w ogóle "nie nadaje się do spożycia"; trzeba ją "ugotować", czyli skorygować, podnieść i wyrównać do założonej częstotliwości, co wykonuje aktywna zwrotnica Nautilusa.

W otwartych liniach transmisyjnych na zewnątrz wydostaje się duża część energii promieniowanej przez tylną stronę membrany. Działanie linii po części służy jej wytłumieniu, które jednak okazuje się mało skuteczne, a po części – i stąd wciąż ma ona sens - przesunięciu fazy, dzięki czemu fala może wyjść, przynajmniej w pewnych zakresach częstotliwości, w fazie w przybliżeniu zgodnej z fazą promieniowania przedniej strony membrany. Są jednak zakresy, w których fale z tych źródeł wychodzą niemal w fazie przeciwnej, więc na charakterystyce wypadkowej powstają osłabienia.

Wzięcie pod uwagę tego zjawiska tym bardziej skomplikowało projektowanie. Trzeba było skorelować długość tunelu, rodzaj i umieszczenie wytłumienia, z zakresem pracy głośnika. Okazało się też, że docierająca do końca tunelu energia nie tylko może zostać tam wypromieniowania, ale... odbić się i powędrować z powrotem... A na długości tunelu mogą układać się rezonanse półfalowe i ćwierćfalowe. W dodatku linie transmisyjne, ułożone w obudowach o typowych proporcjach dla kolumn głośnikowych, nawet jeżeli dużych i wysokich, muszą zostać "zwinięte" – dlatego właśnie przypominają labirynty – a każdy odcinek labiryntu może generować własne rezonanse... Im dalej w las, tym więcej drzew.

Rozwiązywanie jednych problemów za pomocą dalszego komplikowania obudowy powoduje inne problemy. Nie znaczy to jednak, że nie można uzyskać lepszych rezultatów. W uproszczonej analizie, biorącej pod uwagę tylko relacje między długością labiryntu a długością fali, dłuższy labirynt oznacza dłuższą drogę fali, a więc przesuwanie korzystnego przesunięcia fazy ku niższym częstotliwościom, i tamże wzmocnienie charakterystyki.

 

Najskuteczniejsze wzmocnienie 50 Hz wymaga na przykład labiryntu o długości 3,4 m, bowiem na takim dystansie ułoży się połówka fali 50 Hz i ostatecznie wylot tunelu będzie promieniował w fazie zgodnej z przednią stroną membrany. Ale przy częstotliwości dwa razy wyższej (w tym przypadku - 100 Hz), w labiryncie ułoży się już cała fala, a więc wylot będzie promieniował w fazie dokładnie przeciwnej do przedniej strony membrany.

Konstruktor takiej prostej linii transmisyjnej stara się tak dobrać długość i wytłumienie, aby wykorzystać efekt wzmocnienia i zredukować efekt osłabienia – trudno jednak znaleźć taką kombinację, która będzie znacząco lepiej tłumiła dwa razy wyższe częstotliwości.

Co gorsza, walka z falami wywołującymi "antyrezonanse", czyli zapadłości na charakterystyce wypadkowej (w naszym przykładzie - w okolicach 100 Hz) za pomocą większej ilości wytłumienia, często kończy się pyrrusowym zwycięstwem, bowiem osłabienie to zostaje zmniejszone, choć nie wyeliminowane, ale w zakresie najniższych częstotliwości charakterystyka też znacząco traci na skutek stłumienia innych, i w tym zakresie korzystnych, efektów rezonansowych, które powstają w tym skomplikowanym układzie. Biorąc je pod uwagę w bardziej zaawansowanych projektach, należy skorelować długość labiryntu z samą częstotliwością rezonansową głośnika (fs), aby w tym zakresie uzyskać efekt odciążenia.

Stety czy niestety, okazuje się, że wbrew początkowym założeniom o braku oddziaływania linii transmisyjnej na głośnik, jest to układ akustyczny, będący w sprzężeniu zwrotnym z głośnikiem, nawet w stopniu większym niż obudowa zamknięta, a podobnym jak bas-refleks - no chyba że labirynt zdecydowanie wytłumimy, ale w praktyce takie obudowy grają basem bardzo szczupłym.

Konstruktorzy stosowali różne "chwyty", aby bez silnego wytłumienia, a więc przy efektywnym promieniowaniu niskich częstotliwości, zatrzymać fale wyższych częstotliwości, które zaburzają charakterystykę.

Jednym ze sposobów jest utworzenie dodatkowego, "ślepego" tunelu (o długości ściśle skorelowanej z długością zasadniczego tunelu), w którym fala określonej częstotliwości odbije się i pobiegnie ku wylotowi w takiej fazie, aby kompensować niekorzystne przesunięcie fazy fali biegnącej do wylotu prosto od głośnika.

Innym popularnym sposobem jest utworzenie za głośnikiem komory "sprzęgającej", która będzie działała jak filtr akustyczny, przepuszczała do labiryntu najniższe częstotliwości, a zatrzymywała wyższe. W ten sposób powstaje jednak układ rezonansowy o silnie zaznaczonych cechach bas-refleksu.

Obudowę można interpretować jako bas-refleks z tunelem bardzo długim i o bardzo dużym przekroju. Dla obudów działających jak bas-refleks teoretycznie odpowiednie będą głośniki o niskiej dobroci (Qts), a dla idealnej, klasycznej linii transmisyjnej, która nie oddziałuje na głośnik – o wysokiej, wyższej nawet niż w obudowach zamkniętych. Są jednak obudowy o "strukturze" pośredniej: w pierwszej części labirynt ma przekrój wyraźnie większy niż dalej, więc może zostać uznany za komorę, ale nie musi...

Gdy labirynt zostanie wytłumiony, straci cechy bas-refleksu. Można zastosować więcej głośników i ustawić je w różnej odległości od wylotu; można zrobić więcej niż jeden wylot; tunel można ku wylotowi rozszerzać lub zwężać...

Nie ma oczywistych reguł, nie ma prostych recept, nie ma gwarancji sukcesu, wciąż pozostają zabawa oraz poszukiwania, i właśnie dlatego linia transmisyjna jest wciąż tematem dla pasjonatów, a mniej dla firm, które nawet dysponując potężnym zapleczem badawczym, nie potrafią tego tematu do końca opanować, nie mówiąc już o tym, że mają do dyspozycji rozwiązania proste i skuteczne. Firmy, które mimo to zajmują się liniami transmisyjnymi, mają w tej dziedzinie nie tylko większe doświadczenie, ale i specjalne powody - wizerunkowe.

Live Sound & Installation październik 2019

Live Sound & Installation

Magazyn techniki estradowej

Gitarzysta listopad 2019

Gitarzysta

Magazyn fanów gitary

Perkusista listopad 2019

Perkusista

Magazyn fanów perkusji

Estrada i Studio listopad 2019

Estrada i Studio

Magazyn muzyków i realizatorów dźwięku

Estrada i Studio Plus listopad 2016 - styczeń 2017

Estrada i Studio Plus

Magazyn muzyków i realizatorów dźwięku

Audio listopad 2019

Audio

Polski przedstawiciel European Imaging and Sound Association

Domowe Studio - Przewodnik 2016

Domowe Studio - Przewodnik

Najlepsza droga do nagrywania muzyki w domu