1 ŠÍRENIE ZVUKU A ZÁKLADNÉ POJMY
Zvuk vzniká chvením hmotného prostredia, ktoré toto chvenie predáva hmotným časticiam prostredia, napríklad vzduchu. Vo vzduchu nastáva zhusťovanie a zrieďovanie častíc. Miesta zhustenia a zriedenia vzduchu postupujú vzduchom ako zvuková vlna určitou rýchlosťou, ktorú nazývame rýchlosťou šírenia zvuku a označujeme ju písmenom vz. Vzdialenosť miest maximálne alebo minimálne zriedených častíc nazývame dĺžkou zvukovej vlny, označujeme ju písmenom . Počet týchto zhustení alebo zriedení za základnú jednotku času nazývame kmitočet (frekvencia) a označuje sa písmenom f. Ľudské ucho vníma zvuky s frekvenciou od 16 do 20000 Hz.
Zvuk sa šíri iba hmotným prostredím. Napríklad vo vzduchu sú nositeľmi predávanej energie hmotné častice vzduchu. Rýchlosť šírenia zvuku závisí na prostredí, v ktorom sa zvuk šíri. Pri danom prostredí závisí na fyzikálnom stave tohto prostredia. Rýchlosť šírenia zvuku nezávisí od jeho kmitočtu. Vzduch, v ktorom sa zvuk šíri, má vzhľadom k základnému atmosférickému tlaku v miestach zhustenia častíc mierny pretlak a v miestach zriedenia mierny podtlak. Tieto zmeny tlaku sa nazývajú akustický tlak, ktorý označujeme písmenom p. Jednotkou akustického tlaku v sústave SI je 1 Pa. Najrozšírenejší údaj o veľkosti akustického tlaku je tzv. hladina akustického tlaku označovaná písmenom L a udávaná je v decibeloch [dB].
Pojmom akustický výkon, označovaným písmenom P, sa rozumie akustická energia, ktorá prejde ľubovoľnou plochou S za sekundu. Pre P platí
Celkové rozpätie hladiny akustického tlaku je od 0dB (čo súvisí s prahom citlivosti ucha pri 1000 Hz
u dobre počujúcej osoby) až po 130 dB - 140 dB, tzv. prah bolestivosti.
1.1 Hlasitosť zvuku
Hlasitosť zvuku vnímaná ľudským sluchovým orgánom neodpovedá pre všetky kmitočty relatívnej hodnote hladiny akustického tlaku. Preto boli vytvorené tzv. krivky rovnakej hlasitosti (graf 2). Každý bod týchto kriviek zodpovedá určitej hladine akustického tlaku zvuku, ktorý je vnímaný pri rôznych kmitočtoch ako rovnako hlasitý.
2 TYPY ELEKTROAKUSTICKÝCH MENIČOV
2.1 Podstata činnosti meničov
Elektroakustický menič premieňa elektrický signál na akustický alebo naopak. Premena sa väčšinou uskutočňuje prostredníctvom mechanických prvkov. Pri zmene akustického signálu na elektrický sa hovorí o prijímači (mikrofóny), pri zmene elektrického signálu na akustický o vysielači (reproduktory, slúchadlá).
Elektromechanický menič, meniaci elektrický signál na mechanický pohyb, alebo mechanický pohyb na elektrický signál, využíva niektorý z princípov premeny elektrickej energie na mechanickú alebo naopak. Najznámejšie používané princípy sú: elektromagnetický (obr.1), elektrodynamický (obr.2), elektrostatický (obr.3), piezoelektrický a magnetostrikčný. V elektroakustike sa používa len elektrodynamický a piezoelektrický.
2.1.1 Elektrodynamický menič
Hlavný časťami elektrodynamického meniča sú magnet, pólové nástavce a cievka. Prúd prechádzajúci cievkou vytvára ďalšie magnetické pole, ktoré sa sčíta alebo odčíta s magnetickým poľom trvalého magnetu a tým vzniká premenná sila pôsobiaca na cievku.
Použitie: Všetky typy reproduktorov.
2.1.2 Piezoelektrický menič
Napätie privedené na výbrus z piezoelektrického materiálu (napr. Seignettova soľ, báriumtitantát) spôsobí jeho deformáciu.
Použitie: Vysokotónové reproduktory, telefónne slúchadlá
2.2 Priamovyžarujúci elektrodynamický reproduktor
Tento typ reproduktora je v súčasnosti najpoužívanejší. Priamovyžarujúci sa nazýva preto, lebo membrána je s vonkajším vzduchom viazaná priamo, bez pomocných zariadení. (Obr.4)
Hlavné časti:
1. magnetický obvod
2. kmitacia cievka reproduktora
3. membrána
4. kôš reproduktora
5. strediaci prvok
Popis činnosti
Ak sa priloží na prívodné svorky reproduktora striedavé napätie, prechádza vinutím cievky prúd nepriamo úmerný impedancii vinutia. Pretože cievka reproduktora je v homogénnom magnetickom poli kolmom na smer vinutia cievky, bude na toto vinutie pôsobiť sila, ktorá sústavu axiálne vychyľuje z rovnovážnej polohy na jednu alebo druhú stranu, podľa okamžitej polarity striedavého prúdu.
Smer výchylky závisí na zmysle vinutia, smere magnetických silových čiar a okamžitej polarite striedavého prúdu. Cievky dvoch reproduktorov kmitajú pri paralelnom prepojení vo fáze, ak je zmysel vinutia obidvoch cievok rovnaký a magnetické silové čiary majú rovnaký smer. Z dôvodu fázovania dvoch alebo niekoľkých reproduktorov sú začiatky vinutia cievok označené na vývodoch reproduktorov farebnou značkou, v schémach bodkou. Pretože je cievka reproduktora pevne spojená s membránou, prenesú sa kmity cievky na membránu. Membrána predá toto kmitanie okolitému vzduchu. Pretože okolitý vzduch predstavuje pre membránu priamovyžarujúceho reproduktora veľmi malú záťaž, účinnosť reproduktora je malá 0,5 až 4%.
2.2.1 Magnetický obvod
Táto časť je tou najdrahšou časťou celého reproduktora. Magnetický obvod sa vyrába prevažne s permanentným magnetom. Používané tvrdé magnetické zliatiny vytvoria v medzere dostatočne veľkú magnetickú indukciu aj pri relatívne malých rozmeroch magnetického obvodu. Magnetický obvod sa delí na permanentný magnet a na magneticky mäkké pólové nástavce. Pólové nástavce sústreďujú čo najväčšiu časť energie permanentného magnetu do vzduchovej medzery.
Permanentný magnet sa obvykle vyrába z magneticky tvrdého feritu, no používa sa aj zliatina AlNiCo, alebo PERMAG AOK. Dnes sa vyrábajú reproduktory prevažne s vonkajším magnetom, no používajú sa aj vnútorné magnety, ktoré majú obvykle menší magnetický rozptyl a preto väčšiu účinnosť. Vzduchová medzera má obvykle prstencový tvar určený tromi charakteristickými rozmermi – výškou, šírkou a vnútorným priemerom. Platí, že čím sú tieto rozmery menšie, tým väčší magnetický tok sa dá v medzere dosiahnuť (pokiaľ nie je magneticky mäkký materiál presýtený).
Výška vzduchovej medzery je konštrukčne viazaná na výšku kmitacej cievky. Šírka vzduchovej medzery zase závisí od hrúbky kmitacej cievky (priemer drôtu, počet vrstiev a nosný materiál) a oproti tejto hrúbke musí byť zväčšená o bezpečnú vzdialenosť. Táto bezpečná vzdialenosť závisí na výrobných toleranciách a na spôsobe použitia reproduktora.
2.2.2 Kmitacia cievka
Kmitacia cievka býva navinutá na tenkú papierovú podložku smaltovaným drôtom. Po navinutí sa cievka bakelizuje, poprípade sa spevní vhodným lepidlom. Dnes sa však už stretneme aj s hliníkovými alebo kaptonovými formermi (nosičmi cievky), ktoré znesú podstatne väčšiu teplotu.
Kmitacia cievka je pevne spojená s membránou. Vývody cievky sú spravidla vyvedené na membránu blízko samotnej kmitacej cievky a odtiaľ sú vyvedené ohybným káblikom napr. na spájkovacie očká. Ohybný káblik nesmie byť príliš dlhý aby nespôsoboval prípadné pazvuky, no taktiež nemôže brániť membráne v pohybe.
Prierez drôtu cievky môže byť malý, pretože teplo vzniknuté stratami v činnom odpore vinutia je dobre odvedené pólovými nástavcami a vyžarené hmotou magnetického obvodu.
2.2.3 Membrána
Membrána sa kedysi vyrábala výlučne zo špeciálne pripravovanej papieroviny. Okraj membrány má niekoľko vlniek, aby sa dosiahla dobrá poddajnosť, a aby membrána kmitala piestovo. V súčasnosti sa namiesto vlniek používajú aj gumené alebo textilné obruby, ktoré majú dlhšiu životnosť. Dnes sa papierové membrány vyskytujú len u lacných reproduktorov, alebo naopak u profesionálnych reproduktorov vysokej účinnosti do PA systémov. Dnes používané reproduktory majú membrány buď z lakovaného papiera, alebo z polypropylénu, výnimočne aj z hliníka alebo kevlaru. Tieto membrány dokážu premieňať na zvuk aj kmity s frekvenciou menšou ako 30 Hz, s čím majú klasické papierové membrány značné problémy. Membrána však musí mať čo najmenšiu hmotnosť, pretože účinnosť reproduktora klesá s druhou mocninou hmotnosti kmitacieho systému.
Tvar a materiálové vlastnosti majú veľký vplyv na prenosové vlastnosti reproduktora. Membrána ovplyvňuje nielen kmitočtový priebeh, ale môže spôsobiť rôzne skreslenia. Jedným z nich je vznik subharmonických tónov, ktoré pôsobia v reprodukcii rušivo. Sú to nežiadúce kmity membrány, ktoré majú polovičný kmitočet ako prenášaný signál a vznikajú vplyvom namáhania membrány na vzper. Preto sa používa tzv. nerozvinuteľný tvar membrány (Obr.5).
2.2.4 Kôš reproduktora
Kôš reproduktora tvorí mechanicky nosnú časť magnetického obvodu a membrány. Väčšinou to je výlisok z plechu, u reproduktorov veľkých rozmerov je z hliníkovej alebo inej zliatiny. Kôš má veľké otvory, aby za membránou nevznikal nevhodný akustický obvod.
2.2.5 Strediaci prvok
Strediaci prvok udržuje kmitaciu cievku s membránou v ose vzduchovej medzery. Zabraňuje posunutiu kmitacej cievky, ktoré by spôsobilo trenie cievky o časti magnetického obvodu. Umožňuje však voľný pohyb membrány a kmitacej cievky v smere osi vzduchovej medzery. Strediaci prvok musí byť takisto ako membrána čo najľahší. Taktiež však musí byť dokonale priedušný, aby nekládol nežiadúci prídavný odpor.
2.3 Nepriamovyžarujúce reproduktory – reproduktory so zvukovodom
Popis činnosti
Keďže priamovyžarujúce reproduktory majú malú účinnosť, existujú aj reproduktory nepriamovyžarujúce, u ktorých je záťaž membrány prostredím väčšia.
Ak uzatvára membrána trúbku rovnakého priemeru ako je priemer membrány, môže v tejto trúbke vytvoriť postupujúcu rovinnú vlnu. Za týchto podmienok je membrána veľmi dobre prispôsobená prostrediu. Ak má trúbka konečnú dĺžku, chová sa výstupný otvor trúbky ako tenká membrána, ktorá časť energie vyžarí a časť energie sa odrazí späť. V trúbke takto vzniknú stojaté vlny. Ak dáme pred membránu trúbku, ktorej prierez sa smerom od membrány zväčšuje až do prierezu, pri ktorom je odrazená energia na prechode do prostredia minimálna, je membrána viac zaťažená ako pri priamej väzbe s prostredím. Funkciu takejto trúbky, ktorá mení prierez s dĺžkou, plní vhodný zvukovod.
Takýmto reproduktorom so zvukovodom je napr. tlakový reproduktor, ktorý dosahuje účinnosť 10 až 30%. Takýto tlakový reproduktor sa vyskytoval aj na starých magnetofónoch. Dnes sa využíva ako vysokotónový reproduktor vo výkonných sústavách.
2.4 Delenie reproduktorov podľa prenášaného kmitočtu
Podľa prenášaného kmitočtu delíme reproduktory na:
- širokopásmové
- hlbokotónové (basové)
- stredotónové
- vysokotónové
- špeciálne
2.4.1 Širokopásmové reproduktory
Tieto reproduktory nachádzajú široké uplatnenie v bežnej spotrebnej elektronike ako sú rádiomagnetofóny alebo televízory. Tieto reproduktory môžu mať aj eliptický tvar, čo vyrovnáva ich frekvenčnú charakteristiku, ale na druhej strane znižuje charakteristickú citlivosť. Membrány týchto reproduktorov sa vyrábajú z papiera. Pre zlepšenie reprodukcie sa používajú vysokotónové kužele, ktoré sú pevne spojené s membránou a sú obvykle vyrobené z materiálu tvrdšieho ako samotná membrána. K širokopásmovým reproduktorom možno zaradiť aj reproduktory koaxiálne, kde už síce je reproduktor aj vysokotónový stále však dohromady tvoria jeden nedeliteľný celok. Takéto reproduktory nachádzajú uplatnenie hlavne v automobiloch, kde je na klasické viacpásmové rozloženie málo miesta.
2.4.2 Hlbokotónové reproduktory
Tieto reproduktory sa vyskytujú v každej reproduktorovej ozvučnici, kde je zvuk vytváraný viac ako jedným reproduktorom. Rozmermi sú basové reproduktory najväčšie pretože s veľkosťou membrány stúpa účinnosť reprodukcie nižších kmitočtov. Avšak reproduktory s väčšou výchylkou a menšou membránou sa vyrovnajú väčším reproduktorom. To sa dnes vo veľkom využíva, preto dnešné reproduktory s priemerom 20 cm predbehnú kvalitou reprodukcie niekdajšie 38 centimetrové reproduktory. Okrem toho, že sú najväčšie, sú basové reproduktory aj najvýkonnejšie pretože výkon 1W neznamená pre reproduktor to isté zaťaženie pri kmitočte 50 Hz a pri kmitočte 15000 Hz. Platí, že čím je kmitočet pri danom príkone nižší, tým je zaťaženie pre reproduktor vyššie.
2.4.3 Vysokotónové reproduktory
Takisto ako basové aj tieto reproduktory sa nachádzajú v každej viacpásmovej ozvučnici. Poznáme viac typov týchto reproduktorov. Jedným z nich je klasický typ, ktorý vyzerá podobne ako iné elektrodynamické reproduktory. Tento typ reproduktora však účinne nevyžaruje najvyššie kmitočty. Niekedy sa používali tlakové reproduktory so zvukovodom, dnes sa však kvôli vysokej cene v bežných reprosústavách nevyskytuje. Nahradil ho piezoelektrický reproduktor so zvukovodom, ktorý je vynikajúci čo sa týka hornej hranice frekvenčného rozsahu, no jeho frekvenčná charakteristika nie je až taká vyrovnaná ako je tomu u najnovšieho typu vysokotónového reproduktora, ktorým je kalotový reproduktor. Ten sa dnes zo spomínaných typov používa najviac vďaka jeho nízkej cene, vyrovnanému frekvenčnému rozsahu a taktiež vďaka jeho malým rozmerom.
3 ZÁKLADNÉ POJMY VYJADRUJÚCE VLASTNOSTI REPRODUKTOROV
3.1 Menovitá impedancia
Pretože je reproduktor napájaný striedavým prúdom, zaujíma nás impedancia jeho cievky. Táto impedancia je vždy vyššia ako činný odpor kmitacej cievky. Impedancia je však kmitočtovo závislá a u priamovyžarujúcich reproduktorov má v oblasti nízkych kmitočtov výrazné maximum (v oblasti vlastného rezonančného kmitočtu reproduktora. Najmenšia impedancia, ktorá je len o málo väčšia ako činný odpor cievky reproduktora, sa nazýva menovitá impedancia. Táto impedancia je dôležitá, pretože pri konštantnom napätí je príkon do reproduktora najväčší práve pri najmenšej impedancii. Preto je táto veličina úzko spätá s maximálnym príkonom. Dovolené odchýlky od menovitých impedancií sú –5 až +15%.
3.2 Príkon reproduktora
Príkon reproduktora je pri rovnakom napätí kmitočtovo závislý. Najväčší je pri najmenšej elektrickej impedancii, čiže pri menovitej impedancii. Pretože z hľadiska používania je dôležitý maximálny príkon a je jedno pri akom kmitočte nastáva, udáva sa tento príkon s ohľadom na kmitočtové rozloženie signálu a podľa normy sa nazýva štandardný príkon.
Veľkosť štandardného príkonu sa mení úmerne so zmenou privádzaného napätia. Čím je napätie vyššie, tým je štandardný príkon väčší. Príkon reproduktora však nemôžeme zvyšovať neobmedzene, preto výrobcovia udávajú tzv. maximálny štandardný príkon, teda taký príkon, ktorý by sa behom používania nemal prekročiť, pretože by došlo k nadmernému skresleniu akustického signálu, alebo k mechanickému poškodeniu kmitacej sústavy reproduktora.
Odolnosť voči poškodeniu izolácie alebo prerušeniu vinutia cievky vplyvom zohriatia býva značne veľká, pretože kmitacia cievka je dokonale chladená. Mechanická pevnosť systému, hlavne z hľadiska doby životnosti, je hlavným dôvodom obmedzenia príkonu. Táto mechanická pevnosť však závisí na kmitočtovom spektre signálu. Kmitočty blízke rezonančnému kmitočtu reproduktora, pri ktorých má membrána najväčšiu výchylku, najviac mechanicky namáhajú kmitací systém.
3.3 Rezonančná frekvencia (kmitočet)
Každý reproduktor má určitú rezonančnú frekvenciu , ktorá závisí na hmotnosti a poddajnosti kmitacieho systému. Pre návrh ozvučnice reproduktora je znalosť tohto rezonančného kmitočtu veľmi dôležitá. U basových reproduktorov je rezonančná frekvencia tiež jedným z ukazateľov akosti (čím je nižšia, tým je reproduktor kvalitnejší).
3.4 Frekvenčný rozsah, frekvenčná charakteristika, grafické znázornenie frekvenčnej charakteristiky
Frekvenčný rozsah udáva oblasť kmitočtov, v ktorej pri konštantnom napájacom napätí reproduktor vyžaruje akustickú energiu. Ak nieje frekvenčný rozsah doplnený údajom, pre aký pokles hladiny akustického tlaku oproti priemernej hladine v prenášanom pásme sú hraničné frekvencie udané, sú tieto údaje bezcenné a môžu skresliť predstavu o reproduktore. Dokonalejšia informácia sa získa z grafického záznamu priebehu hladiny akustického tlaku v závislosti na frekvencii, ktorý sa nazýva frekvenčná charakteristika. Meranie frekvenčnej charakteristiky vyžaduje nákladnú aparatúru, preto sa nedá robiť v amatérskych podmienkach. (Graf 2)
3.5 Charakteristická citlivosť
Charakteristická citlivosť udáva priemerný akustický tlak v ose reproduktora vo vzdialenosti 1 m pri príkone 1 VA v určitom frekvenčnom pásme. Príkon sa stanoví s ohľadom na menovitú impedanciu reproduktora a jemu odpovedajúce napätie sa udržuje konštantné.
4 REPRODUKTOROVÉ SÚSTAVY
4.1 Ozvučnice pre priamovyžarujúce reproduktory
Priamovyžarujúce reproduktory potrebujú ku svojej správnej činnosti ozvučnicu. Piestový pohyb membrány vytvára akustický tlak na obidvoch stranách membrány, ale okamžitá fáza týchto tlakov je opačná - v okamihu vytvorenia pretlaku pred membránou sa vytvára podtlak za membránou. Zvukové vlny s vlnovou dĺžkou väčšou ako je priemer membrány vyrovnávajú pretlak a podtlak a pre tieto kmitočty nastáva akustický skrat, ktorý sa prejaví poklesom frekvenčnej charakteristiky. Aby sa tomuto akustickému skratu zabránilo, upevňuje sa reproduktor na dosku zvanú ozvučnica. Táto doska predlžuje vzdialenosť medzi prednou a zadnou stranou membrány a tým posúva hraničnú frekvenciu, pri ktorej nastáva akustický skrat, k nižším kmitočtom. Akustické obvody vytvorené v ozvučnici môžu priaznivo, niekedy však i nepriaznivo ovplyvniť priebehy frekvenčnej charakteristiky, prevažne na okrajoch prenášaného pásma.
Podľa konštrukčného riešenia sa typy ozvučníc delia na:
- doskové
- skriňové otvorené
- skriňové uzavreté
- typu bass-reflex
- iné
4.1.1 Skriňová ozvučnica uzavretá
Použitím tejto ozvučnice dokonale predídeme akustickému skratu. Uzavretý objem vzduchu za membránou na ňu pôsobí ako pneumatická pružina, ktorá posúva rezonančný kmitočet sústavy k vyšším kmitočtom. Tieto ozvučnice sa používajú pre drahšie reproduktorové sústavy, kde ide o vyrovnanú frekvenčnú charakteristiku. Obvykle sa vyplňujú tlmiacim materiálom.
4.1.2 Skriňová ozvučnica typu bass-reflex
Basreflexná ozvučnica je v súčasnosti najrozšírenejšia, pretože nepotrebuje tak hrubé steny ako uzavretá ozvučnica, tiež odstraňuje akustický skrat a nízke tóny vyžaruje s vyšším akustickým tlakom. Táto ozvučnica obsahuje basreflexový otvor, ktorého úlohou je vyžariť energiu zo zadnej strany spolu s energiou vyžarenou prednou stranou membrány tak, že jej fázu zmení o 180°. Vyrobiť takýto akustický obvod je však veľmi zložité. Celková výchylka membrány pri nízkych kmitočtoch môže byť menšia a tým môže byť menšie aj nelineárne skreslenie reproduktora. Výhodou je teda to, že ozvučnica neposúva rezonančnú frekvenciu reproduktora, no správne funguje len v určitom frekvenčnom rozmedzí a tým zvlňuje frekvenčnú charakteristiku, basy sú dunivé a nekonkrétne.
4.2 Elektrické výhybky
Funkcia elektrickej výhybky
Elektrická výhybka je neodmysliteľnou súčasťou sústavy, kde jednotlivé reproduktory vyžarujú len časť akustického spektra. Jej úlohou je rozdeliť akustický signál tak, aby každý z reproduktorov dostal len tú časť spektra, ktorú dokáže optimálne vyžariť.
Ak pripojíme sústavu s dvomi paralelne zapojenými reproduktormi, jedným hlbokotónovým a jedným vysokotónovým, obidva s rovnakou citlivosťou a impedanciou na zosilňovač s výkonom napr. 10W, zapojenie spôsobí, že sa výkon zosilňovača rozdelí v celom akustickom spektre rovnako do obidvoch reproduktorov (5W na každý reproduktor). Takto by sa polovica vysokotónového výkonu by sa zmarila v hlbokotónovom reproduktore, ktorý nie je schopný vyžariť vysoké tóny a naopak . Výsledkom by bolo len polovičné využitie výkonu zosilňovača.
Aby sme teda plne využili výkon zosilňovača, musíme do obvodov jednotlivých reproduktorov zapojiť kondenzátory a tlmivky, s pomocou ktorých budeme môcť využiť plný výkon zosilňovača. Kondenzátory prepúšťajú vysoké tóny a zadržiavajú nízke a tlmivky prepúšťajú nízke a zadržiavajú vysoké tóny. Ak zapojíme kondenzátor s tlmivkou za sebou, budú prepúšťať len stredné kmitočty.
Vlastnosti výhybky udáva jej strmosť. Je to vlastnosť výhybky, ktorá určuje ako prudko klesá alebo stúpa príkon do reproduktora od deliaceho kmitočtu. Strmosť výhybky udávame počtom decibelov, o ktoré sa zníži alebo zvýši napätie na reproduktore v jednej oktáve od deliaceho kmitočtu.
4.2.1 Elektrické výhybky so strmosťou 6 dB na oktávu
V reproduktorových sústavách sú reproduktory najčastejšie zapájané paralelne. Dvojpásmovú sústavu vytvoríme tak, že s hlbokotónovým reproduktor zapojíme do série tlmivku a s vysokotónovým reproduktorom zapojíme kondenzátor (obr.6).
Podobne je zapojená trojpásmová výhybka, ktorá sa využíva, keď akustické vlastnosti vysokotónového a hlbokotónového reproduktora nestačia pokryť celý rozsah akustických kmitočtov bez veľkých nerovnomerností frekvenčnej charakteristiky. Výhybku doplníme o súčiastky, ktoré ochudobní napájanie stredotónového reproduktora o nízke a vysoké frekvencie. Dosiahneme to tak, že sériovo so stredotónovým reproduktorom zapojíme kondenzátor s tlmivkou (obr. 7).
4.2.2 Elektrické výhybky so strmosťou 12 dB na oktávu
Predchádzajúce výhybky majú tú nevýhodu, že v pomerne širokom okolí deliaceho kmitočtu hrajú obidva reproduktory súčasne. Táto výhybka má naviac kondenzátor a tlmivku zapojené paralelne s reproduktorom (obr.8).
Podobne by sa dali vyrobiť aj výhybky so strmosťou 18 dB alebo 24 dB na oktávu. Takéto výhybky sú však veľmi zložité, majú nekontrolovateľné negatívne vplyvy na prenosové vlastnosti reproduktorových sústav a preto sa používajú len zriedkavo.
5 OZVUČENIE MOJEJ IZBY
Ako objekt mojej praktickej realizácie som si vybral svoju izbu, lebo práve tu to najviac využijem a taktiež to bude dosť jednoduché – izba je zo všetkých najmenšia. Steny sú, ako to u panelákov býva, betónové, na povrch je nanesená stierka. Na podlahe je koberec, ktorý má dostatočnú zvukovú pohltivosť. Steny sú však na tom inak. Preto sú na nich zavesené obrazy, nalepené plagáty. V izbe pri okne sú závesy, ktoré sú na tlmenie priestoru najvhodnejšie. Šírka izby je 284cm, dĺžka 305 cm a výška 265 cm. Rozloženie nábytku je na obr.10. Ako zdroj zvuku používam počítač. Na počítač už boli pripojené aktívne reproduktory s výkonom 2x5W + 15W Subwoofer. Ja som k nim pridal ďalšie. Použil som zosilňovač 2x10W (zosilňovač A) a 4x12W (zosilňovač B). Prvý zosilňovač, ktorý mám z lacných počítačových reproduktorov, teda jeho vlastnosti nie sú ničím výrazné, som použil pre efektové zadné reproduktory. Ten druhý, premostený na výkon 2x24W sa viac hodil pre kvalitnú reprodukciu. Srdcom tohto zosilňovača je obvod TDA 8561Q od firmy PHILIPS, ktorý sa vyznačuje veľkým množstvom ochranných funkcíí (ochrana proti skratu na výstupe, proti prepólovaniu napájania, proti prehriatiu atď.), potrebou len malého počtu externých súčiastok a npájacím napätím 8-18V. Ako efektové reproduktory stačia menšie jednopásmové reprosústavy, ďalšie reproduktory, zapojené na výkonnejší zosilňovač môžu byť dvojpásmové alebo trojpásmové reprosústavy, použil som aj ďalší subwoofer.
5.1 Zapojenie zosilňovačov
Aby sa ovládala hlasitosť všetkých zosilňovačov naraz, sú zapojené cez 50 kiloómový potenciometer. Potenciometer umiestnim do vhodnej škatule, do ktorej vyvŕtam otvory na tri výstupné Jack 3,5 konektory. Jack konektory som zvolil preto, lebo sú bežne používané u počítačových reproduktorov a taktiež zaberú menej miesta ako konektory Cinch, ktorých by muselo byť namiesto troch až šesť. Dosť dôležité je napájanie zosilňovačov. Na to som použil počítačový zdroj (nie zdroj môjho počítača – dva zosilňovače by mohli dosahovať prúdový odber cez 3A pri špičkách, čo by spôsobovalo preťaženie zdroja). Tento zdroj má obyčajne na 12 voltový výstup napojený aj ventilátor, ktorý pri behu spôsobuje to, že pri vysokej hlasitosti a bez signálu na vstupe by zosilňovač dosť „hučal“. Preto napojím ventilátor z nízkoprúdového výstupu zdroja (-12V 500 mA). Takto rušenie spôsobovať nebude. Paralelne na zosilňovač budú zapojené kondenzátory s celkovou kapacitou okolo 20 mF, ktoré by mali zabezpečovať spoľahlivý chod zosilňovačov aj pri vyšších výkonoch.. Zdroj má však jeden nedostatok. Jeho výstupné napätie pri nulovej záťaži je len 10V. Aj napriek tomu, že zosilňovaču stačí 8V však môže byť tento nedostatok dosť badateľný, pretože pri vyšších výkonoch a teda aj pri väčšom zaťažení zdroja klesá napätie pod 8V a to aj napriek použitiu kondenzátorov. Vyššie výstupné napätie sa dá dosiahnuť zaťažením 5 voltového výstupu. Pre dosiahnutie aspoň dvanástich voltov treba 5 voltový výstup zaťažiť prúdom aspoň 5A. Vyskúšal som napojiť na 5 voltov asi trojmetrový izolovaný drôt s priemerom 0,5 mm. Po piatich minútach sa však začínala taviť izolácia, nepomohlo ani keď som drôt navinul na hliníkový chladič. Po zdvojnásobení dĺžky výstupné napätie bolo približne 11 V. Drôt s chladičom je taktiež umiestnený v skrinke so zdrojom a zosilňovačom. Podstatné je taktiež chladenie. Zosilňovač A už má hliníkový chladič, ktorý mu stačí. Umiestnený bude v škatuli vyrobenej z DPS, ktorá bude mať dostatok otvorov na chladenie. Zosilňovač B umiestnim v skrini subwoofera, kde mu chladenie bude zabezpečovať ako hliníkový chladič, tak i už spomínaný ventilátor zdroja.
5.2 Stavba škatule zosilňovača A
Rozmery plošného spoja zosilňovača sú 6 x 5,5 x 3 cm, preto aj krabica by mohla mať podobné rozmery. Treba však rátať s priestorom na konektory výstupu zo zosilňovača a na priestor potrebný pre účinné chladenie obvodu zosilňovača. Steny zhotovím z DPS, zvnútra ich však bude potrebné izolovať (napr. papierom alebo vhodnou fóliou). V prednej stene bude dióda LED indikujúca chod prístroja. Na opačnej stene budú konektory.
5.3 Stavba skríň efektových reproduktorov
Tieto skrine nie je ťažké zhotoviť, pretože osadenie každej tvorí len jeden reproduktor s priemerom 10cm. Keďže sú to reproduktory len efektové, ich cieľom nie je mohutná basová reprodukcia, preto som zvolil uzavretú ozvučnicu. Rozmery skrine sú 12,5cm x 20cm x 12,5 cm. Ako materiál je použitá drevotrieska hrúbky 10mm. Zvnútra je skriňa vytlmená vatou, ktorá zabraňuje vzniku stojatých vĺn vnútri ozvučnice. Otvor na reproduktor je dookola oblepený izolačnou páskou, reproduktor je na stenu pevne priskrutkovaný štyrmi skrutkami. Na zadnej stene je reprosvorka. Na lepenie stien som použil lepidlo herkules, ktoré je vhodné na lepenie dreva a ja s ním mám veľmi dobré skúsenosti.
5.4 Stavba skríň reproduktorov pre kvalitnú reprodukciu
V prípade týchto skríň by sa už dalo rozmýšľať nad tým, či spraviť uzavretú, alebo basreflexovú ozvučnicu. Keďže však bude použitý aj subwoofer, zvolím radšej ozvučnicu uzavretú – stavba takto bude o niečo menej náročná. V prípade uzavretej ozvučnice si môžem sám stanoviť rozmery skrine. Ako osadenie použijem reproduktor Tesla ARN 567 s priemerom 165 mm a ARV 161 s priemerom 90 mm ako vysokotónový reproduktor. Frekvenčný rozsah hlbokotónového reproduktora je 40 až 5000 Hz a frekvenčný rozsah vysokotónového reproduktora je 2000 až 16000 Hz. Deliaci kmitočet výhybky by teda mohol byť od 2 do 5 kHz, najlepšie teda 3,5 kHz. Najjednoduchšie by bolo spraviť výhybku so strmosťou 6 dB na oktávu, čo by aj mohlo stačiť, aj keď by bola lepšia výhybka 12 dB na oktávu.
K stavbe výhybky je potrebná tlmivka a kondenzátor.
Parametre prvkov zistíme podľa vzťahov:
kde RZ je impedancia reproduktora,
C je kapacita kondenzátora,
L je indukcia cievky a
fd je deliaca frekvencia.
Po dosadení dostaneme:
V katalógu je najbližšia hodnota indukcie cievky 0,18mH presne táto hodnota, cena cievky je približne 36 Sk. Kondenzátor s najbližšou hodnotou má kapacitu 10μF. V katalógu sú však dva typy kondenzátorov. Prvý je MKT, teda fóliový kondenzátor. Jeho výhodou je stabilita kapacity aj po dlhom čase, znesie vyššie napätie a pri danej kapacite je aj o niečo menší. Avšak druhý typ kondenzátora, bipolárny elektrolytický kondenzátor, je dvojnásobne lacnejší. Vzhľadom k mojej finančnej situácii som zvolil radšej elektrolytický kondenzátor.
Kondenzátor a cievka budú zvnútra skrine napevno pripojené k stene. Skriňa je zhotovená z drevotriesky, všetky steny sú zlepené, keďže reproduktory sú priskrutkované zvonka. Dosť podstatné je aj maximálne tesné priskrutkovanie reproduktora k ozvučnici a čo najtesnejšie zlepenie stien ozvučnice. Na rozmeroch ozvučnice veľmi nezáleží, platí že čím menší je objem, tým vyššia je rezonančná frekvencia. Šírka ozvučnice musí byť pochopiteľne väčšia ako 165 mm a výška väčšia ako 255 mm. Mnou stanovené rozmery sú 215 mm x 350 mm x 200 mm. Je vhodné dať pred reproduktor textíliu, ktorá by chránila reproduktor. Dá sa to spraviť tak, že si odrežeme z drevotriesky dosku rozmerov prednej steny, vyhladíme okraje a vyvŕtame do dosky, takisto ako aj do prednej steny ozvučnice, diery na rámové hmoždinky. Tie sa dajú kúpiť alebo objednať. Doska musí mať spravený otvor s priemerom väčším ako je priemer reproduktora, najlepšie je vyvŕtať obdĺžnikový otvor takej veľkosti, aby bola hrúbka rámu aspoň 2,5 cm. Na túto dosku potom zo zadnej strany prilepíme alebo iným spôsobom pripevníme tkaninu dostatočných rozmerov. Tkanina musí byť dokonale priezvučná. Priezvučnosť sa dá jednoducho vyskúšať tak, že si tú tkaninu priložíme k ústam a fúkneme. Ak cez ňu vzduch prechádza ľahko, je priezvučná, ak ťažko, treba zvoliť inú. Táto tkanina musí byť po pripevnení na rám napnutá, aby vplyvom vibrácií membrány reproduktora nekmitala.
5.5 Stavba subwoofera
Najzložitejšou je stavba subwoofera, ktorý má z hľadiska prenášaného kmitočtu (pod 160 Hz) ozvučnicu typu bass-reflex. Mohol som sa rozhodnúť medzi stavbou klasickej ozvučnice alebo subwooferového boxu, no pretože som v čase, keď som ozvučnicu subwoofera robil, som nemal dostatok informácií o tom, ako box spraviť, nechcel som riskovať a uprednostnil som klasickú ozvučnicu. Hlavným prvkom subwoofera je reproduktor. Volil som s ohľadom na cenu, aj na prenosové vlastnosti. V katalógoch je možné nájsť množstvo kvalitných reproduktorov od rôznych výrobcov, mne sa však najlepší zdal reproduktor od českého výrobcu TVM acoustics (bývalá Tesla) s označením ARN 6684. Jeho cena s DPH je 470 Sk, čo na takýto reproduktor rozhodne nie je veľa. Tento reproduktor má menovitý šumový príkon 70W rezonančnú frekvenciu 30 Hz, citlivosť 86 dB/W/m a frekvenčný rozsah 30-3000 Hz. Reprodukcii veľmi nízkych kmitočtov výrazne dopomáha lakovaná membrána s priemerom 16 cm. Celkový priemer reproduktora je 203 mm. Reproduktor má hliníkový former, teda sa hodí aj na vyššie zaťaženie. Nevýhodou pre basreflex je celkový činiteľ akosti 0,59, ktorý však neprekračuje hodnotu 0,71, teda umiestniť ho do ozvučnice tohto typu nie je nesprávna voľba. Rozmery ozvučnice sú kvôli vysokému ekvivalentnému objemu dosť veľké. Objem ozvučnice som vypočítal zo vzťahu:
V=V(ekv)x(QT2/2-QT2)
kde VEkv je ekvivalentný objem reproduktora a
QT je činiteľ akosti reproduktora.
Po dosadení hodnôt dostaneme:
V=20,02 dm3
Optimálny objem pre basreflex by mal byť zhruba jedenapolkrát až dvakrát väčší, teda 40 dm3.
V staršej literatúre sa odporúča stanoviť objem až trikrát väčší ako je ekvivalentný objem reproduktora, aby sa čo najvýraznejšie prejavili kladné vlastnosti basreflexu. Aj keby som však stanovil objem ozvučnice rovný ekvivalentnému objemu reproduktora, musel by som spraviť ozvučnicu s objemom až 95 dm3.
Mnou stanovené rozmery sú výška 400 mm, šírka 250mm a hĺbka 500 mm. Celková výška a šírka je väčšia o dvojnásobok hrúbky stien, teda o 20 mm. Takto by objem vyšiel 50 dm3, ale keď berieme na ohľad aj stavbu ozvučnice, objem bude o niečo menší, a to z dvoch príčin. Prvou je to, že som prednú stenu vsunul dovnútra skrine – je to lepšie pre ochranu reproduktora pred vonkajšími vplyvmi a tiež aj z dizajnového hľadiska. Druhou príčinou je to, že do skrine dávam aj zosilňovač so zdrojom. Tento je umiestnený oddelene od akustickej skrine - takto je oveľa jednoduchšie tesnenie skrine.
Plocha basreflexového otvoru by mala byť ¼ až ½ plochy membrány reproduktora. Plocha membrány je približne 200 cm2, mnou stanovené rozmery sú 250 mm x 35 mm. Dĺžka basreflexového hrdla je 600 mm, čo je viac ako dĺžka ozvučnice, preto vnútri skrine je basreflexové hrdlo zahnuté.
Pri stavbe som počítal aj s umiestnením zosilňovača do skrine subwoofera, preto som pre zosilňovač aj pre zdroj vytvoril osobitnú skrinku, ktorá je vnútri skrine, je však oddelená od akustického priestoru. Táto skrinka má rozmery 110 mm x 140 mm x 250 mm. Rozmery sú dostatočné aj pre zdroj, aj pre zosilňovač. Zo zadnej strany celej skrine je táto oddelená skrinka úplne otvorená, na spodných rohoch sú prilepené malé kúsky z dosák dreva, z ktorého som subwoofer robil.
Steny ozvučnice sú takisto ako v predchádzajúcich prípadoch lepené napevno, keďže reproduktor je priskrutkovaný zvonku. Priemer montážneho otvoru je 183 mm, otvor je dookola oblepený tesniacou páskou. Steny sú v mieste, kde sú zlepené, spevnené doštičkou. Steny, ktoré stoja proti sebe, sú spojené doštičkou, ktorá by nemala mať veľké rozmery. Toto však neplatí pre zadnú a prednú stenu, pretože na prednej stene by nebolo kde túto doštičku upevniť. Preto musí byť zadná stena spevnená iným spôsobom. Na spevnenie tejto steny treba brať čo najväčší ohľad, lebo sa na ňu prenáša veľká časť energie vyžarovanej reproduktorom. Basreflexové ozvučnice na rozdiel od uzavretých nemusia byť zvnútra vytlmené. Vytlmenie by znížilo dunivosť zvuku, čo niekto oceňuje, no v dnešnej dobe chce množstvo ľudí práve zvuk takéhoto charakteru. Ja som ozvučnicu celú nevytlmoval.
Po dokončení ozvučnice nasleduje sfunkčnenie subwoofera. Na hliníkovú dosku neveľkej hrúbky som priskrutkoval zdroj, ktorý je odkrytý kvôli lepšiemu chladeniu. Na dosku je taktiež upevnený chladič zosilňovača. Ja som použil relatívne veľký hliníkový chladič tvaru L. Keby chladič nestačil, použitý zosilňovač by to určite nepoškodilo. Reproduktor musí byť zapojený len z jedného kanála, subwooferová výhybka by bola dosť nákladná a náročná na zostavenie. Samozrejme, reproduktor musí byť zapojený cez tlmivku a výstupy zo zosilňovača cez kondenzátory takisto ako tomu bolo u reproduktorov pre kvalitnú reprodukciu, iba s tým rozdielom, že deliaci kmitočet je okolo 100Hz. Nízky deliaci kmitočet však znamená vysokú cenu komponentov výhybky, je nutné použiť tlmivku s feritovým jadrom (6,37 mH) a bipolárny elektrolytický kondenzátor (397,89 μF). Na dosiahnutie potrebnej kapacity kondenzátorov je potrebné spojiť dva kondenzátory paralelne. Na zadnej stene sú konektory Cinch na pripojenie nezosilneného signálu, konektor na pripojenie sieťového napätia, sieťový vypínač a dva konektory na pripojenie reproduktorov. Na prednej strane subwoofera som umiestnil dosku s výškou 12 cm, ktorá má ochrannú, aj signalizačnú funkciu. Sú do nej vyvŕtané tri otvory na LED diódy.
Otvor uprostred má priemer 3 mm, zvyšné otvory majú priemer 5 mm. Menšia LED dióda svieti vždy vtedy, ak je subwoofer zapojený do siete a zapnutý sieťovým vypínačom. Dióda naľavo svieti, keď je subwoofer zapnutý. To znamená, že zosilňovač je v normálnom stave. Inak je zosilňovač v takzvanom móde stand-by, čo znamená, že jeho vstupy a výstupy sú vypnuté, celkový odber nepresiahne 100μA. V stand-by móde subwoofera je tiež vypnutý ventilátor, pretože ani zdroj ani zosilňovač nepotrebujú chladenie. Činnosť ventilátora a 5 voltovej záťaže riadi relé. Posledná LED dióda má funkciu jednoduchého indikátora vybudenia. Táto LED dióda je dvojfarebná. Je zapojená na jednoduchý obvod, ktorého pôvodnou úlohou je indikovať stav batérie. Ak dióda svieti načerveno, batéria je slabá, ak nazeleno, batéria je nabitá.
Ja som LED diódu zapojil naopak, pričom zelená anóda je s katódou spojená kondenzátorom s kapacitou 3,3 mF. Celý obvod je zapojený na zosilnený zdroj signálu cez nastavovací trimer a cez diódový mostík. Pri nízkom zaťažení LED dióda nesvieti, pri vyššom zaťažení dióda svieti nazeleno, pričom pri prerušovanom napájaní dióda hneď nezhasne, zhasína spomalene. Pri maximálnom zaťažení dióda svieti načerveno. Samozrejme, citlivosť obvodu som nastavil trimrom. Obvod nie je umiestnený na doske plošného spoja, takto sa podľa mňa ušetrí miesto, ktoré je potrebné vzhľadom na to, že celá doska je umiestnená pred reproduktorom, ktorého membrána dosahuje značný zdvih a pri prevádzke by sa po kontakte s niektorou súčiastkou mohla poškodiť. Odpor obvodu je zanedbateľný, nemal by pozorovateľne narušiť frekvenčnú charakteristiku subwoofera. Keďže obvod na doske musí byť vodivo spojený so zosilňovačom a zdrojom, musel som to vymyslieť tak, aby do prednej dosky neviedli drôty napevno, ak by náhodou bolo treba reproduktor z ozvučnice vybrať. Jedným z riešení by bol konektor, no moje riešenie je omnoho lepšie.
Na úchytku prednej dosky, ktorá je pevne prilepená k skrini, takisto ako na dosku na zodpovedajúcom mieste som spravil jednoduché kontakty. Tie na úchytke sú z mäkkého hliníkového drôtu, ktorý je obidvomi stranami odizolovanej časti prilepený k úchytke. Na prednej doske sú kontakty z tvrdého drôtu, odizolovaná časť je špirálovito stočená pre dosiahnutie väčšej plochy. Rozstup kontaktov je približne 6 mm, 15 mm je to v prípade dvoch kontaktov pri diere na skrutku. Všetkých päť kontaktov je umiestnených na jednej úchytke, keby som sa rozhodol rozšíriť „schopnosti“ dosky, na ďalšie kontakty bude miesta dosť. Obvod je k doske prilepený priesvitnou páskou tak, aby sa nemohlo stať, že obvod bude kmitať a rušiť tak celkový dojem z reprodukcie subwoofera. Doska umiestnená pred reproduktorom má vplyv len na reprodukciu vysokých tónov, čo v tomto prípade vôbec neprekáža.
Pre dosiahnutie lepšieho vzhľadu skríň reproduktorov je potrebné povrch vyhladiť, napríklad brúsnym papierom. Potom na nich nalepiť tapety, aké sú napríklad na skriniach, alebo aspoň skrine natrieť. Farbu môžeme zvoliť takú, aby ladila s nábytkom, univerzálnou farbou, ktorou sa nedá nič pokaziť, je čierna. Ja som zvolil čierny náter, bolo to jediné dostupné riešenie.
V budúcnosti chcem subwoofer prerobiť na aktívny tým, že do neho namontujem sobwooferový zosilňovač s výkonom 80W, ktorý obsahuje aj subwooferovú výhybku (jej úlohou je prepustiť do reproduktora len nízke kmitočty pravého aj ľavého kanála).
Ja mám zosilňovač A efektových reproduktorov napájaný cez relé napájané zo zdroja počítača. Takto sa zosilňovač vypína a zapína spolu s počítačom. Pretože maximálny spínaný prúd relé je 16A pri 266V, mám cez neho zapojený aj monitor a reproduktory počítača.
5.6 Umiestnenie reproduktorov v miestnosti
Táto časť je zo všetkých najdôležitejšia – bez vhodného umiestnenia a zapojenia by bol zbytočný ľubovoľne veľký počet reproduktorov. Treba dbať na to, aby nebolo rozloženie reproduktorov nerovnomerné, aby sa neovplyvnila stereofónna reprodukcia. S umiestnením počítačových reproduktorov nie je žiadny problém, pretože kábel ja dlhý len na rozloženie reproduktorov na stole, vzdialenosť pravého a ľavého reproduktora od monitora počítača, ktorý je v strede stola, musí byť rovnaká. Umiestnenie subwoofera nehrá žiadnu úlohu. Pri zapájaní ďalších reproduktorov sa však vyskytne ďalší problém – fázovanie. Pri napájaní na zosilňovač A je to jednoduché, treba len dávať pozor pri zapájaní kábla na farebné značenie. Avšak pri zosilňovači B, keďže bol premostený je ťažké zistiť polaritu výstupov. Fáza a protifáza reproduktorov sa dá zistiť najjednoduchšie posluchom. Ja som si pustil poriadne basovú hudbu.
Ak sú dva reproduktory zapojené v protifáze, basy nie sú zreteľné, zdá sa, že reproduktory idú naprázdno. Ja som fázu porovnával s fázou subwoofera počítačových reproduktorov. Pri umiestňovaní treba dbať na to, aby bola vzdialenosť ľavého aj pravého reproduktora od predpokladanej pozície hlavy poslucháča rovnaká a aby bolo rozloženie reproduktorov pravidelné. Umiestnenie subwoofera nemá vplyv na stereofónne vyváženie zvuku. Najlepšie šírenie basov dosiahneme, keď subwoofer umiestnime v rohu izby. Pri umiestňovaní reproduktorov je zanedbaná stereofónna báza, ktorá sa v izbe s takouto veľkosťou a pri danom umiestnení miesta posluchu ani nedá dodržať.
