FER Zvucnici

Elektroakustika 2007.

12. ZVUČNICIZvučnik je elektromehanički pretvarač koji električnu energijupomoću nekog, najčešće mehaničkog, sustava (npr. membranom) pretvara u akustičku energiju.

Idealan zvučnik bi uz konstantnu privedenu električnu energijuproizvodio konstantan zvučni tlak u cijelom čujnomfrekvencijskom području od 20 Hz do 20 kHz. Takav bi bio idealan širokopojasni zvučnik, kakvog je teško ostvariti.

Zato se za pokrivanje cijelog tonfrekvencijskog područjaupotrebljava više zvučnika, koji su svaki za sebe posebnograđeni samo za jedan dio tog područja, tj. najčešće zaniskotonsko, srednjetonsko i visokotonsko područje.

Zvučnici, kod kojih se ne traži posebna kvaliteta, pokrivajufrekvencijsko područje od oko 80 Hz do oko 10 kHz.


Zvuk najčešće isijava membrana, koja može biti različitih oblika(obično okrugla), a učvršćena je svojim vanjskim rubom na tzv. košaru, a središnjim dijelom na tzv. centrator.

Membrana se može smatrati mehaničkim titrajnim sustavom s jednim stupnjem slobode.

Električna energija se obično pretvara u mehaničkuelektrodinamičkim, elektromagnetskim ili elektrostatskimprincipom.

Ostali principi (npr. piezoelektrički ili ionofonski) se relativno rijetko upotrebljavaju.


12.1. RELATIVNE RAZINE I SNAGE

Za razmatranje potrebne snage i razine zvučnog tlaka pri reprodukciji uzima se u obzir relativna raspodjela snage po frekvenciji sinfonijskog orkestra, odnosno iz nje izvedena ispitna raspodjela snage za zvučnike (sl. 12.1).

Relativna raspodjela snage

sinfonijski orkestar

raspodjela za ispitivanje zvučnika

frekvencija f

relativna

gustoća

Sl. 12.1

Relativna raspodjela snage sinfonijskog orkestra i preporučena raspodjela za ispitivanje zvučnika


Najveće razine zvučne snage se pojavljuju u području od 125 Hz i 1 kHz, po čemu je izvedena i karakteristika snage za ispitivanje zvučnika (DIN 45573).

Originalna glasnoća sinfonijskog orkestra u pojasu od 250 do 500 Hz lako dosegne oko 10 W.

Uz standardnu zvučničku kutiju s tri sustava i frekvencijskom skretnicom od 12 dB to daje raspodjelu od oko 70% za niskotonski, 20% za srednjetonski i 10% za visokotonski zvučnik.

Ako se želi odgovarajuće ozvučiti npr. boravak od 200 m3, s vremenom odjeka od 0,5 s i zvučnim tlakom do 94 dB, onda je potrebna zvučna snaga od oko 40 mW.

Za zvučničku kutiju s faktorom iskoristivosti od 3% do 0,2% to iznosi 1,3 do 20 W.


Vršni faktor (crest-faktor)

Ovojnica govora i glazbe nije sinusoidna, pa se umjesto eff. vrijednosti sinusne promjene upotrebljava omjer vršne vrijednosti signala i njegove efektivne vrijednosti – crest-faktor.

Kod sinusnog signala on iznosi √2, logaritamski je to omjer od 3 dB.

Kod reprodukcije govora i glazbe vršni faktor često dostiže 18 dB, pa mora i snaga zvučnika i pojačala imati odgovarajuće rezerve uz maksimalno dozvoljeno izobličenje.


12.2. UTJECAJ PROSTORIJE

Zvučna slika emitirana zvučnikom znatno ovisi o svojstvima prostorije u kojoj su zvučnici.

Na niskim frekvencijama će se pojaviti utjecaj “tlačne komore”, tj. ako je valna dužina reda veličine zidova prostorije doći će do stojnih valova i time do znatnog izdizanja amplituda tog frekvencijskog područja. Zato treba paziti da je najveća valna duljina koja se treba reproducirati

3 V<λ

Npr., u prostoriji od 64 m3 (4 m dužina stijene) donja granična frekvencija je 85 Hz.

Interferencije na višim frekvencijama su malog značaja.


Postavljanjem zvučnika na reflektirajuću plohu, ili blizu nekoliko reflektirajućih ploha (npr. u kut) pojačavaju se niske frekvencije do 9 dB u odnosu na slobodno stojeći zvučnik u sredini prostorije (sl. 12.2).

Sl. 12.2 Povećanje zv. tlaka u ovisnosti o poziciji zvučnika

+9 dB - tri refleksijske plohe

+6 dB - dvije refleksijske plohe 0 dB - slobodno stojeći

pojednostavljeno donje područje

frekvencija f

zvučni

t l ak


12.3. PODJELA ZVUČNIKA

12.3.1. Prema načinu pretvorbe energije:

• zvučnik s membranom (elektro-mehaničko-akustička pretvorba)

• zvučnik bez membrane (elektro-akustička pretvorba)

12.3.2. Prema pobudi okolnog medija:

• direktni emiter (titrajuća membrana emitira direktno u prostor)

• indirektni emiter (zvučnik s trubom)


12.3.3. Prema pogonskom elementu:

• dinamički zvučnik (vodič se pokreće u magnetskom polju)

• elektromagnetski zvučnik (izmjenična struja mijenja jakost magnetskog polja koje utitrava željeznu pločicu s membranom)

• elektrostatski zvučnik (privlačenje i odbijanje nabijenih ploha)

• piezoelektrički zvučnik (obrnuti piezoelektrički efekt)

• magnetostriktivni zvučnik (obrnuti magnetostriktivni efekt)


12.3.4. Prema izvedbi:

• komercijalni (opća uporaba)

• profesionalni (posebne kvalitete i namjene, po karakteristikama, pouzdanosti, itd.)

12.3.5. Prema prijenosnom pojasu:

• širokopojasni

• pojasni


12.4. OSNOVNE KARAKTERISTIKE ZVUČNIKA su:

1. Nazivna snaga Pn zvučnika je najveća snaga kojom se zvučnik može opteretiti a da ne bude uništen. Zbog istosmjernog otpora zavojnicu dinamičkog zvučnika smije se opteretiti samo s 1/10 nazivne opteretivosti Pn. Zato se napon u na zavojnici treba ograničiti na

10nnZPu =

Opteretivost zvučnika mjeri se ružičastim šumom.

2. Impedancija Zn zvučnika je ovisna o frekvenciji i akustičkom opterećenju i daje se za frekvencije 400 Hz, 800 Hz ili 1 kHz (najčešće), jer su u tom području zvučni tlakovi najveći. Važna je zbog ispravnog priključivanja zvučnika na pojačaloi obično iznosi između 4 i 16 Ω.


3. Frekvencijska karakteristika zvučnika pokazuje ovisnost zvučnog tlaka o frekvenciji uz konstantan napon na zvučniku. Za visokokvalitetne zvučnike dopušteno je odstupanje u cijelom deklariranom prijenosnom području od ±2 dB.

4. Efikasnost zvučnika je umnožak zvučnog tlaka p na udaljenosti od 1 m u smjeru osi i električne snage izmjerene na zvučniku:

e=p√P, P=U2/Zn.


5. Korisnost zvučnika η je omjer isijane akustičke snage Pa i električke snage Pe :

η = (Pa/Pe) 100%.

Ujedno je jednaka umnošku elektromehaničke korisnosti ηem i mehano-akustičke korisnosti ηma. Korisnost se obično kreće između 0,2% i 0,8% .

6. Reprodukcija zvučnika je kvocijent zvučnog tlaka ispred zvučnika i napona na priključnicama zvučnika:

r = p/U.

Izražava se u Pa/V.

7. Usmjerna karakteristika je na niskim frekvencijama polukuglasta oblika, a porastom frekvencije dolazi do sve većeg usnopljavanja (usmjeravanja) u smjeru osi zvučnika.


8. Izobličenja zvučnika se mogu podijeliti na linearna i nelinearna.

Nelinearna izobličenja su naročito nepoželjna, i do njih dolazi npr. zbog prevelikih pomaka membrane, zbog kojih zavojnica izlazi iz homogenog magnetskog polja.

Osim harmoničkih, pojavljuju se i intermodulacijska i tranzijentna izobličenja, do kojih dolazi uslijed prevelike tromosti titrajnog sustava, kojoj je posljedica nemogućnost slijeđenja amplitude i frekvencije pobudnog signala, ali i vlastita istitravanja nakon što je signal nestao.

Pojavljuju se i fazna izobličenja, koja nastaju i zbog toga jer akustička središta pojedinih zvučničkih jedinica u sustavu (kutiji) nisu u istoj ravnini.


Sl. 12.3. Loš (a) i dobar (b) fazni odziv zbog različitih pozicija akustičkih središta zvučnika.

9. Fazna karakteristika je ovisna o izvedbi skretnica u sustavu te ukupnom spoju zvučnika s pojačalom. Zapravo je najvažnije vrijeme kašnjenja pojedinih frekvencijskih grupa. Zahtijeva se da je fazna karakteristika linearna.


12.5. IMPEDANCIJA ISIJAVANJA

Akustičku impedanciju isijavanja Za tvore akustički otpor isijavanja Ra i akustička masa isijavanja Ma

Za = Ra + jωMa

Mehanička impedancija isijavanja Zma definirana je kao

Zma = Za S2 (S = r2π)

pa je tako definiran i mehanički otpor isijavanja Rma

Rma=Ra S2

kao i mehanička masa isijavanja Mma

Mma= Ma S2

pa vrijedi

Zma= Rma+ jωMma=√(R2ma+ X2

ma)


Impedancija isijavanja je funkcija svojstava zraka, svojstava membrane i njezinog okruženja (ugradnje) kao i frekvencije.

Za klipnu membranu radiusa r je

Rma=2πr3ρ0

Mma=2πr2ρ0c

Impedancija isijavanja jedne strane okruglog, ravnog stapa, smještenog u beskonačnoj ploči je

2

22

02

12

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

=+=

rc

rc

jrccjXRZ mamama

ω

ωω

ρπ


Za membranu koja je u odnosu na isijanu valnu duljinu mala, porastom frekvencije povećava se realni dio impedancije isijavanja Rma (sl. 12.4).

2402 ωπρ rc

Rma =

Tada vrijedi:

Sl. 12.4 Frekvencijska

karakteristika realnog i imaginarnog dijela

oko rezonantne frekvencije


12.6. SNAGA ISIJAVANJA

Klipna membrana isijava u poluprostor snagu Pak

Pak= ½ Zmav2 = ½ Zmaa2ω2

gdje je v titrajna brzina membrane, a je amplituda membrane.

Uvrštenjem dobije se2440 ar

cPak ωπρ

=

odnosno uz konstante

10

442

1024 ⋅=

fraPak


12.7. DINAMIČKI ZVUČNIK

Najrasprostranjeniji tip zvučnika je dinamički.

U zračnom rasporu između polnih nastavaka magneta nalazise pomična titrajna zavojnica na koju je učvršćena konusnamembrana (sl. 12.16).

Protječe li zavojnicom struja tonske frekvencije, pomiče se membrana u ritmu signala naprijed - natrag pod utjecajemaksijalne sile

F = B⋅l⋅i,

gdje je B magnetska indukcija u zračnom rasporu magneta, l jeduljina vodiča, a i je struja kroz zavojnicu.

Budući da su B i l za određeni tip zvučnika nepromijenljiveveličine, sila F ovisi samo o jakosti struje i.


12.7.1. Električki sustav dinamičkog zvučnika

Sastoji se od titrajne zavojnice priključene na pojačalo kao izvor signala. Zavojnica je u magnetskom polju stalnog magneta.

ZEZ=REZ +jωLEZ

Protjecanjem izmjenične struje zavojnica se giba u magnetskom polju, pa se u njoj inducira protu-EMS. Ona se suprotstavlja struji koja teče kroz titrajnu zavojnicu pa nastaje efekt kao da je porasla njezina impedancija. Time nastaje dinamička impedancija ZED:

ZED= e/i = RED+jXED= B2 l2 /ZM

Dinamička impedancija ovisi o veličinama mehaničko-akustičkog sustava zvučnika. Utjecaj je znatan u frekvencijskom opsegu oko frekvencije mehaničke rezonancije.


Sl. 12.5. Dinamičkaimpedancija kao funkcija frekvencije

Sl. 12.6. Dinamičkaimpedancija je paralelni titrajni krug:


Sl. 12.7. Frekvencijska karakteristika impedancije i faze dinamičkog zvučnika za neugrađeni zvučnik.

Maksimum impedancije na niskim frekvencijama se obično podudara s mehaničkom rezonancijom titrajnog sustava.


12.7.2. Mehaničko-akustički sustav dinamičkog zvučnika

Mehanički sustav čini membrana sa zavojnicom čvrsto ovješena na donji i gornji centrator. To je sustav s jednim stupnjem slobode te je diferencijalna jednadžba II reda:

02

2

=++m

mm Cx

dtdxR

dtxdM

Sustav će biti opterećen impedancijom isijavanja koja je akustičko opterećenje s obje strane membrane.

• Na ω«ωr inercija mase je malena i bitan utjecaj ima elastičnost ovjesa. Nadomjesni elektr. krug ima kapacitivni karakter, a brzina kretanja se smanjuje s padom frekvencije (v=FωCMM). (CMM je mehanička elastičnost mehaničkog sustava = Cm). (sl.12.12 a)


• Na ω≈ωr sila inercije (masa) jednaka je sili uskladištenoj u ovjesu (elastičnosti), pa se za gibanje mora svladati samo trenje. Brzina kretanja doseže maksimum.

MMMMr CM

fπ2

1=

MM

MMrMMMMrMS R

MRCQ ωω ==

QMS je mehanički faktor dobrote pri rezonanciji, RMM je mehanički otpor mehaničkog sustava.

• Na ω»ωr mehaničkog sustava, efekt inercije se povećava, impedancija ovješenja se smanjuje, pa nadomjesni elektr. krug ima induktivni karakter. S povećanjem frekvencije brzina sustava se smanjuje (v=F/ωMMM).


Na slici 12.8 prikazane su idealizirane karakteristike brzine a), akustičkog otpora isijavanja b) i snage c) krutog stapa u beskonačnoj ploči .

Na sl.12.8 d) pokazana je frekvencijska karakteristika zv. snage krutog konusa s podkritičnim prigušenjem mehaničkog sustava

Na sl.12.8 e) vidi se povećanje emitirane zv. energije iznad prijenosne frekvencije fp zbog parcijalnog titranja membrane na višim frekvencijama (smanjenje aktivne površine membrane)

Sl.12.8 f) pokazuje razliku snage u ovisnosti o načinu pobude: iz izvora konstantnog napona ili konstantne struje. U prvom slučaju je rezonantno nadvišenje manje.


Sl. 12.8. Brzina, otpor isijavanja i emitirana snaga krutog stapa u beskonačnoj ploči. (fs=fr; fp=c/π r √2, prijenosna frekvencija)

Elektroakustika 2007.Sl. 12.9 Nadomjesna shema elektrodinamičkog zvučnika u beskonačnoj ploči

MMEM R

lBR22

1 =

221 lBMC MM

EM =

22lBCL MMEM ⋅=

2222

lBMC MA

EM =

MAEM R

lBR2

22

2 =


Na slici 12.9:

a) Dinamički zvučnik u beskonačnoj ploči, titra kao stap. Električki, mehanički i akustički sustavi su povezani idealnim transformatorima, čije su vrijednosti faktori elektro-mehaničke i mehaničko-akustičke pretvorbe.

b) i c) Električke analogije mehaničkih krugova nastalih sažetkom električnih i akustičkih krugova u mehaničke.

d) Električki krug s dinamičkom admitancijom YED

e) Modificirani d) iz kojeg se može lakše vidjeti frekvencijska ovisnost pojedinih elemenata


Na niskim i visokim radnim frekvencijama nadomjesne sheme sažete su u (sl. 12.10) :

Sl. 12.10 a) Nadomjesna shema na NF, b) nadomjesna shema na VF

Na niskim frekvencijama (a) REM1 i CEM1 se mogu zanemariti prema LEM, a u području visokih frekvencija (b) se mogu REM1i LEM zanemariti prema CEM1.


Prijenosna karakteristika dinamičkog zvučnika se može podijeliti u 4 bitna područja (sl. 12.11) :

Sl. 12.11

Prijenosna karakteristika zvučnika

• I Na vrlo niskim frekvencijama prevladava utjecaj elastičnosti ovjesa (CMM). Isijana snaga je frekvencijski ovisna i ispod rezonantne frekvencije pada s 12 dB/okt.

• II Rezonancija. Prevladava mehanički otpor RMM. Karakteristika ovisi o prigušenju sustava.


• III Srednje frekvencije. Prevladava reaktancija mase (XMM). Otpor isijavanja postaje neovisan o frekvenciji, a nema još niti usmjerenosti.

• IV Visoke frekvencije. Otpor isijavanja (RMA) je konstantan, valna duljina postaje manja od dimenzija membrane, pa isijana snaga postupno opada. Moguća je druga rezonancija, a prevladava reaktancija mase u titranju XMM i RMA. Time je formiran LR niskopropusni filtar, pa odziv pada sa 6 dB/okt., a ako se pojavila i druga rezonancija onda pada s 12 dB/okt.


Sl. 12.12 Sažete sheme mehaničkog kruga dinamičkog zvučnika za pojedina frekvencijska područja


12.7.3. Prigušenje

Pri projektiranju zvučnika treba voditi računa o:

• postizanju što više prijelomne frekvencije membrane

• homogenosti magnetskog polja u rasporu

• linearnosti ovjesnih elemenata

• odgovarajuće određivanje rezonantne frekvencije mehaničkog titrajnog sustava

• postizanju što ravnije frekvencijske karakteristike

• povećanje korisnosti na niskim i visokim frekvencijama

• dimenzioniranju titrajne zavojnice

Većina tih zahtjeva ovisi o prigušenju zvučnika.

Elektroakustika 2007.Prigušenje može biti podkritično, kritično i nadkritično, što se može ustanoviti promatranjem vremenskog odziva na impulsnu pobudu.

Sl. 12.13 Odziv na impulsnu pobudu s obzirom na stupanj prigušenja

Zbog što povoljnijeg tranzijentnog odziva nastoji se postići prigušenje između kritičnog i podkritičnog.

Faktor dobrote Q pokazuje prigušenje na rezonantnoj frekvenciji, o čemu ovisi frekvencijska karakteristika oko donje granične frekvencije.

Zvučnik se može prigušiti električkim, mehaničkim i akustičkim elementima.


Električko prigušenje proizlazi iz generatorskog djelovanja titrajne zavojnice stvaranjem protu-EMS.

Prigušna struja prolazi zavojnicom i izlaznim krugom pojačala, a proporcionalna je brzini titrajne zavojnice i ima suprotan polaritet prema pobudnoj struji (sl. 12.14).

Sl. 12.14 Osnovni električki krug pojačala

(E, Ru) i titrajne zavojnice (REZ, ZED, e)

Faktor električkog prigušenja ovisi o unutrašnjem otporu pojačala, otporu dovodnih kabela, pasivnih skretnica itd.

Elektroakustika 2007.Mehaničko prigušenje ovisi o izvedbi i masi membrane i oba ovjesa. O unutrašnjem trenju materijala membrane ovisiti će prigušenje ali i korisnost zvučnika (sl. 12.15 a).

Povećavanjem otpora isijavanja, a smanjenjem reaktancije akustičkog opterećenja postiže se akustičko prigušenje. To se može postići povećanjem dimenzije membrane i odgovarajućom izvedbom prilagodnog prostora ispred zvučnika.

I unutrašnjost zvučničke kutije se može djelomice ili potpuno ispuniti prigušnim materijalom (sl. 12.15 b, c).

Sl. 12.15. Akustičko prigušenje zvučničke kutije


Za prigušenje srednjetonskih i visokotonskih zvučnika može se primijeniti i prigušenje pomoću viskoznih feromagnetskih fluidau rasporu magneta.

Tada se zavojnica giba u mediju koji svojom viskoznošću prigušuje (i hladi) zavojnicu, što je vrlo efikasan način.

Elektroakustika 2007.12.7.4. Izvedba dinamičkog zvučnika

Najčešći dinamički zvučnik je konusnog tipa, prema sl. 12.16. Na magnetskoj ploči (3) smješten je magnet (1) i polovi (2, 4), koji stvaraju raspor unutar kojeg se pomiče zavojnica. Nosačzavojnice (5) je pričvršćen na membranu (7), koju drže donjicentrator (8) i gornji elastični rub (10). Membrana je ovješena u košari (9), koja je donjim dijelom pričvršćena na magnetskuploču.

Sl. 12.16 Presjek dinamičkog

zvučnika

Elektroakustika 2007.Budući da je važno postići što veću magnetsku indukciju u rasporu, potrebno je upotrijebiti vrlo snažne magnete, koji sunajskuplji dio zvučnika. Prosječno je gustoća magnetskog toka B u rasporu oko 1 T (mali zvučnici oko 0,3 T).

Postoje zvučnici koji u svojem rasporu imaju B veću od 2 T.

Magnetski materijali se teško obrađuju, pa je potrebno odmah kod lijevanja (čelik) dobiti potreban oblik. Materijali su tipa raznih ferita, te čeličnih legura s dodacima Ba, Al, Ni, Co itd.

Košara, koja služi kao šasija za teški magnet i membranu, mora biti mehanički vrlo stabilna, jer bi i najmanji pomacimagneta ili membrane utjecali na točno vođenje zavojnice.

Sl. 12.17. Presjek zvučničkih magneta

Elektroakustika 2007.Titrajna zavojnica (6) mora zadovoljiti sljedeće uvjete:

- dužina vodiča mora biti što veća, jer o njoj ovisi sila F

- omski otpor zavojnice mora biti što manji zbog gubitaka, pa zavojnicu treba izraditi iz što deblje žice

- zavojnica mora biti što lakša jer je sastavni dio titrajnogsustava

- stijenke zavojnice moraju biti što tanje jer je inače zračniraspor preširok.

Zavojnica titra proporcionalno pobudnoj struji samo dok se nalazi u homogenom magnetskom polju, pa treba biti tolikoduža od srednjeg dijela raspora, da i pri većim titrajnimamplitudama uvijek reže isti broj magnetskih silnica u polju.

Osnovni je zahtjev da uvijek bude isti broj zavoja u konstantnommagnetskom polju (B • l = konst.).

Time je određena duljina zavojnice i izvedba raspora.


Dva su osnovna tipa zavojnice: kratki i dugi:

- ako je zavojnica kraća od duljine raspora barem za dva maksimalna koraka membrane, radi se o kratkoj zavojnici

- ako je zavojnica dulja od duljine raspora barem za dva maksimalna koraka membrane, radi se o dugoj zavojnici

Sl. 12.18. Kratki i dugi tip zavojnice

Za zadržavanje linearnosti pri velikim amplitudama povoljnije su duge zavonice.


Budući da većina zvučnika ima vrlo malu korisnost veliki dio ulazne snage se disipira kao toplina na titrajnoj zavojnici. Snaga zvučnika je ograničena disipacijom na zavojnici.

Pri višim temperaturama (lako i iznad 2500C) povećava se istosmjerni otpor zavojnice. Zavojnica se može deformirati, a isto tako i vrat membrane, na kojem je zavojnica. On se može i potpuno raspasti.

Za velike snage koristi se četverokutna ili šesterokutna žica (“hexa-coil”), koja ima mnogo veću ispunu prostora i mnogo bolje hlađenje (sl. 12.19) zbog boljeg odvođenja topline.

Sl.12.19 Četverokutna ili šestero-kutna žica zavojnice


Maksimalna amplituda membrane ograničena je magnetskimpoljem i ovješenjem membrane.

Opseg membrane mora biti manji od valne duljine najvišegtona koji bi zvučnik morao korektno reproducirati, jer se inače zvučni valovi sve više usnopljavaju.

Membrana mora biti što lakša i što kruća. Najčešće se upotrebljava materijal s većim unutrašnjim gušenjem, npr. papir, tvrda poliuretanska pjena, karbonati i sl.

S povišenjem frekvencije pomiče zavojnica sve manjepovršine membrane, pa vanjski dijelovi membrane miruju. Tada membrana više ne titra kao stap, nego se uvija, štouzrokuje velika izobličenja.


Sl. 12.20. Vlastita istitravanja membrane


transverzalno opruga masa

longitudinalno

aksijalno

tangencijalnolongitudi

nalno

aksijalno

Sl. 12.21. Aksijalna pobuda membrane rezultira longitudinalnim i transverzalnim silama prikazanim oprugama. Pojavljuju se neželjene (djelomične) rezonancije.


Sl. 12.22. Radijalna i transverzalna savijanja membrane zvučnika

Sl. 12.23. Oštra kolebanja na frekvencijskoj karakteristici znak su transverzalnih stojnih valova na membrani


Da bi se to spriječilo, upotrebljavaju se razne konstrukcije membrane, a najčešće tzv. "nawi - membrana" (od njemačkog izraza "nicht abwickelbar", tj. "nerazmotljiv"), kod kojih se kut otvora kontinuirano povećava prema otvoru.

Parcijalna titranja počinju kod neke određene frekvencije u ovisnosti o promjeru membrane, ali i o vrsti i debljini materijala.

Kruti materijal membrane omogućuje veće akustičke snage i veće razine na višim frekvencijama, ali takva membrana lako počinje parcijalno titrati jer ima malo unutrašnje gušenje.

Najčešći materijal za membrane je papir s dodacima ugljenih vlakana ili impregniran smolama. Upotrebljavaju se i polistireni, polipropileni, metali (Al, Ti), polimeri itd.


Osim konusnih membrana u uporabi su i kalotne, najčešće kod visokotonskih zvučnika.

Time je postignut širi kut isijavanja, pogotovo na višim frekvencijama, a ravnija je i frekvencijska karakteristika.

Poboljšanja su i zbog smanjenja nelinearnih izobličenja (naročito tranzijentnih), dobrog prigušenja i korisnosti.

Budući da imaju najčešće samo jedan centrator koji je integriran s membranom mogu nastati razni efekti kolebanja titrajne zavojnice (sl. 12.24) . To je uzrok subharmonicima (na ½λ) i pojavi intermodulacijskih izobličenja (sl. 12.25).


Sl. 12.25 Pad zvučnog tlaka s višekratnikom λ/2 zbog parcijalnih titranja

Sl. 12.24 Kalota bez (a) i s parcijalnim titranjem (b).

Međutim, zbog interferencije zvučnih valova emitiranih s vrha kalote i onih koji su emitirani s ruba kalote (fazna razlika) dolazi do naglog pada zv. tlaka na svakih λ/2, 3λ/2, 5λ/2, tj. kada se polovica valne duljine izjednači s visinom kalote. Nastaju i parcijalna titranja na gornjem dijelu kalote (sl. 12.24) .


Donji centrator membrane smješten je na vratu zavojnice i rubumembrane i učvršćen je na košari.

Ima zadaću da spriječava bočno pomicanje membrane, tevraća membranu iz nekog pomaka u početni položaj.

Obično je oblika koncentrično naboranog diska, i izrađen je iz poliamidnih materijala impregniranih temperaturno stabilnom epoksi-smolom.

Sl. 12.26. Donji centrator.

Elektroakustika 2007.Gornji centrator je kod manje kvalitetnih zvučnika često izvedeniz membranskog materijala, s više koncentričnih nabora.

U takvom slučaju mogu na rubu membrane nastupiti refleksije, i to čim je valna duljina višekratnik razmaka između zavojnice i ruba membrane. Posljedica je parcijalno titranje.

Gornji centrator mora imati i bočnu krutost, tj. mora spriječiti kretanje konusa izvan smjera pogonske sile u osi.

Kod kvalitetnih zvučnika gornji ovjes je obično izveden u oblikukružnog polumijeha od meke gume ili sličnog materijala.

BI2

Sl. 12.27. Izobličenja zbog gornjeg centratora.

BI2 18.12.2003.zadnjibojan; 11.1.2004

Elektroakustika 2007.12.7.5. Dinamički zvučnici raznih namjena

Širokopojasni zvučnici

• Prema DIN-normama mora prijenosno područje biti između 90 – 11200 Hz, s najvećim odstupanjima do 10 dB. Najviši zahtjevi su 40 – 20000 Hz, do 4 dB odstupanja.

• Glavne teškoće nastaju na visokim frekvencijama zbog velikih promjera i masa membrana. Zato se membrane izvode s posebnim ukrućenjima u području vrata ili konusa, ili se pomoću kružnih utora dijele na više segmenata. Kružni utori na višim frekvencijama prekidaju vezu između npr. srednjeg i vanjskog dijela membrane. Time se “iskapčaju” pojedini “nepotrebni”dijelovi membrane.

Katkad se uz veću stavlja i mala, kruta membrana, koja je djelotvorna samo na visokim frekvencijama, ili pak poseban kruti konus, čija je zavojnica aktivna samo na višim frekvencijama.


Niskotonski zvučnici

• Jedan od najvažnijih zahtjeva je emitiranje zvučnog tlaka i iznad 120 dB na niskim frekvencijama.

• Rezonantna frekvencija mora biti postavljena ispod prijenosnog područja, dakle ispod 20 Hz.

• Zvučnik mora biti velik radi povećanja efikasnosti.

• Za postizanje što veće efikasnosti i što boljeg impulsnog odziva membrana treba biti što lakša. Tada mora, za postizanje niske rezonantne frekvencije, biti ovjes što mekši.

• Efikasnost i prigušenje ovise o magnetskom toku u rasporu, što zahtijeva magnet s više od 1,5 T.

• Zbog dimenzija membrane, zavojnice velikog promjera i velikog magneta mora i košara biti vrlo robustna i čvrsta.


• U ovisnosti o tipu zvučničke kutije u koju će takav zvučnik biti ugrađen, i primjeni, odabrati će se masa membrane i tip ovjesa.

• Za ugradnju u zvučni zid, bas-refleks kutiju ili veliku ventiliranu kutiju odabrati će se relativno kruti ovjes i lagana membrana.

• Za ugradnju u zatvorenu, kompresionu kutiju, ili neke tipove akustičkog labirinta, odabrat će se elastičniji ovjes s većom masom membrane.

• Za nastajanje velike zvučne snage potreban je veliki pomak membrane na niskim frekvencijama. Amplituda pomaka je ograničena linearnim pomakom zavojnice u rasporu i pomakom membrane koji dozvoljava ovjes. Zato se pri velikim snagama (pomacima) često uništi (zbog umora materijala) gornji centrator. Hod membrane Ø=20 cm bi za tlakove >100 dB trebao biti veći od ±1,5 cm.


• Pri velikim snagama je važno kvalitetno hladiti zavojnicu i magnet, pa raspori moraju biti što uži.

• Zbog velikih dimenzija membrane su podložne savijanjima i parcijalnim titranjima, pa ih je potrebno posebno konstruirati i ukrutiti. Neke membrane su građene potpuno kruto i titraju kao stap do oko 500 Hz (npr. KEF B139).

• Prijenosna područja su ograničena od iznad rezonantne frekvencije (rijetko ispod 25 Hz, npr. Onkyo 38) do oko 800 Hz.


Sl. 12.28. Tipični niskotonski zvučnik (Dynaudio)

Elektroakustika 2007.Srednjetonski zvučnici

• Osobito su važni zbog frekvencijskog područja koje trebaju prenositi (barem 250 Hz do 6 kHz, često 125 Hz do 10 kHz).

• Zbog najveće osjetljivosti uha u tom području nema tolerancije na nelinearnu frekvencijsku i faznu karakteristiku, izobličenja i loš tranzijentni odziv.

• Zbog relativno malih pomaka membrane nelinearni efekti su najčešće mali.

• Kvalitetni zvučnici s kalotom imaju po dva centratora

• Magnet (barem 1 – 1,4 T) treba biti malih dimenzija kako bi reflektirajuća površina iza membrane bila minimalna.

• Kalotne membrane se izrađuju od krutih materijala s velikim omjerom čvrstoća/težina. Konusne membrane se mogu pri velikim snagama trajno izobličiti, pa se najčešće upotrebljava polipropilen.


• Zbog smanjenja rezonantne frekvencije kalotni zvučnici imaju rupu u srednjopolnom nastavku magnetskog sustava, čime se smanjuje krutost zračnog jastuka ispod kalote. Prostor iza magneta se puni apsorpcijskim materijalom radi optimalnog prigušenja.

• Gornji centratori konusnih membrana se mogu pri velikim snagama emitiranja prolazno deformirati. Vrijeme relaksacije je kod nekih materijala dugo. Dobrima su se pokazali neki pjenasti polipropileni.

• Stražnja strana zvučnika je obično potpuno zatvorena.

• Najkvalitetniji srednjetonski zvučnici su elektrostatski.


Visokotonski zvučnici

• Prijenosno područje je npr. 3 – 18 kHz ili 8 - 23 kHz ili sl.

• Najčešće se upotrebljavaju kalotne membrane. Materijali su na bazi papira i impregnirane tkanine, ali i metalne folije (Al,Ti).

• Rezonantna frekvencija je najčešće smještena između 600 Hz i 2 kHz.

• U svrhu prigušenja često se upotrebljavaju rezonatorski otvori u stijenki stražnje šupljine iza kaStražnja strana je potpuno zatvorena.

• Zavojnica je hlađena i prigušena viskoznoš

lote ili u magnetskoj strukturi.

ću feromagnetskog fluida.

• Zbog male korisnosti upotrebljavaju se veliki magneti. Uz uporabu prilagodnih truba korisnost se povećava do 1 – 2 %.


Sl. 12.29. Tipični srednjetonski zvučnik (Dynaudio)


12.7.6. Zvučnik s trakom (ribbon tweeter)

Tanka vodljiva nabrana traka (najčešće Al) je smještena između polova magneta.

Traka je nabrana radi sprječavanja poprečnog savijanja.

Potreban je kompromis između emitirajuće površine trake (veća površina emitira veću snagu) i razmaka između polova magneta (manji razmak daje veće polje).

Iza trake je šupljina koja se ispunjava apsorpcijskim materijalom radi smanjenja rezonancija.

Sl. 12.30. Zvučnik s trakom


Dužina trake je oko 50 do 60 mm, širina 6 – 10 mm, gustoća magnetskog toka u rasporu 8 mm oko B = 0,5 T.

Za povećavanje isijavanja postavlja se ispred trake truba za prilagođenje. Postavlja se i više traka radi povećavanja površine.

Zvučnik radi do vrlo visokih frekvencija, a tranzijentni odziv je izvrstan. Obično je potrebno provesti prilagođenje na pojačalo pomoću transformatora.

Sl. 12.31. Akustičko prilagođenje

a) bez trube

b) s trubom


Sl. 12.32. Zvučnik s trakom i akustičkim

prilagođenjem trubom (Kelly)

Elektroakustika 2007.12.7.7. Zvučnik s tlačnom komorom

Zbog relativno lošeg prilagođenja konusnog zvučnika na akustičku impedanciju zraka korisnost je mala. Bolje je prilagođen zvučnik s tlačnom komorom i trubom (sl. 12.33) .

Masa zraka, koju pomiče membrana, jednaka je u tlačnoj komori i u vratu, ali je u vratu brzina strujanja veća za iznos omjera d1/d2 (transformator brzine).

Sl. 12.33.

Zvučnik s tlačnom komorom i trubom kao prilagođenjem


Mali izlazni otvor se prilagođuje na okolnu impedanciju lijevkom (trubom). On je izveden kao eksponencijalni rog. Kada će se krutost zračnog jastuka u tlačnoj komori (akustički kapacitet) izjednačiti s akustičkim induktivitetom mase zraka u rogu, otpor isijavanja je realan i maksimalan.

Za reprodukciju niskih frekvencija optimalan rog bi imao velike dimenzije (za fd=50 Hz i početni promjer od 2,5 cm rog bi bio dug 225 cm i promjera otvora 210 cm), pa se ne upotrebljava ispod 300 Hz.

Takvi zvučnici se prvenstveno upotrebljavaju u ozvučnim sustavima kod kojih je u srednjefrekvencijskom području potrebno proizvesti velike razine zvučnog tlaka.


Sl. 12.34. Presjek

1) magnet, 2) membrana, 3) plo

zvučnika s tlačnom komorom (bez roga):

ča sa izjednačenje vremena kašnjenja, 4) titrajna zavojnica 5) izlazni otvor 6) navoj

Elektroakustika 2007.12.7.8. Walshov zvučnik (Ohm Acoustics, model F)

Širokopojasni, neusmjereni zvučnik.

Vertikalni konus (pod kutem od oko 250), na kojem je elektro-magnetski pretvarač, postavljen je na prigušnoj kutiji.

Titraji zavojnice se prenose na vrat konusa koji je, zbog učvršćenja na donjoj strani, pobuđen na longitudinalni val savijanja.Time val savijanja konusa pobuđuje okolni zrak na titranje, koje se širi kružno oko zvučnika (sl. 12.35) .

Sl. 12.35 Principna konstrukcija Walshova zvučnika


Konusna membrana je građena od titana, aluminija i papira, čime se postiže istofaznost u isijavanju s obzirom na kut konusa. Zvuk koji nastaje unutar konusa apsorbira se u prigušnoj kutiji (sl. 12.36).

Zvučnik je linearan od 25 Hz do 25 kHz unutar ±4 dB i velike je opteretivosti. Tranzijentan odziv je dobar.

Zbog emisije zvuka uokrug utjecaj prostorije se ne smije zanemariti.


magnetski sustav

segmenti lakog metala

nosač titrajnog sustava

papirnati konični segment

prigušno kućište

Sl. 12.36

Walshov zvučnik

čelo zvučnog vala širenje vala u konusumagnet

Zavojnica

titan-ring

Al - konus

papirnati konus

apsorber kućište


12.7.9. Elektrostatski zvučnik

(“Prozor u koncertnu dvoranu”)

Između dvije perforirane, čvrste elektrode, nalazi se pomična, električki vodljiva membrana (sl. 12.37) .

Sekundar transformatora spojen je na obje elektrode, a membrana na izvor polarizacijskog napona U.

Sl. 12.37 Principna izvedba elektrostatskog zvučnika.


22

21

22 uUuU ⎟22

ddF −≈

d1 i d2 su razmaci elektroda i membrane, u je tonfrekvencijski napon.

Promjenom razmaka elektroda od membrane mijenja se i kapacitet C i time (uz konstantni U, 800 – 6000V) i električki

⎠⎞

⎜⎝⎛ −⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +

(prema slici 12.35) sila F:

naboj Q na pomičnoj membrani (Q=C).

Tada je sila F:

Na membranu tada djeluje

21 dduQF+

≈


Budući da je (d1+d2)=konst., odnos između napona u i sile F je linearan.

Da bi u praksi naboj uistinu ostao konstantan, treba odvojiti polarizacijski napon nakon nabijanja. To se postiže ugradnjom visokoomskog otpornika R između membrane i izvora U, čime se nadomiještaju vremenski stalni gubici naboja (tip elektrostata s “konstantnim nabojem”).

Vremenska konstanta τ = R C mora biti veća od polovice periode najniže pobudne frekvencije napona u.


Frekvencijska karakteristika elektrostatskog zvučnika

Budući da sila djeluje na cijelu površinu membrane, ona može biti velika i lagana. Masa tanke folije, presvučene vodljivim

čina krutost membrane Xc.

čnik zapravo kondenzator (u Xc pada s porastom frekvencije

slojem, može se zanemariti u odnosu na masu zraka koju pobuđuje na titranje.

Tada je jedina mehanička veli

Budući da je elektrostatski zvuprosjeku oko 2,5 nF), reaktancija sa 6 dB/okt., pa struja iz pojačala raste.

S porastom frekvencije raste ukupna impedancija isijavanja, i pri nekoj kritičnoj frekvenciji impedancije isijavanja, koji je410 N s/m3 ) (sl. 12.38).

f2 cijelo opterećenje preuzima realni dio ovisan o impedanciji zraka (Z0=

Ispod f2 pada imaginarni dio impedancije Zj sa 6 dB/okt, pa je ukupna impedancija (uz Xc) između f1 i f2 frekvencijski neovisna.


Između frekvencija f1 i f2 je titranje membrane ovisno o masi.

f1 se može usporediti s rezonantnom frekvencijom dinamičkih zvučnika.

Smatra se da je frekvencijska karakteristika elektrostatskih zvučnika linearna od frekvencije f1.

Sl. 12.38. Frekvencijska karakteristika elektrostatskog zvučnika

omjer π d/λ

impe

danc

ija p

o je

dini

ci p

ovrš

ine


Sl. 12.39. Elektrostatski zvučnici (Quad).


Prilagodba na pojačalo

Elektrostatski zvučnici imaju relativno velike površine membrane koje su dobro prilagođene impedanciji zraka.

Loša je prilagodba zvučnika na pojačalo, jer je opterećenje pojačala zvučnikom do relativno visokih frekvencija čisto kapacitivno.

Smanjenjem pojasne prijenosne širine može se povećati korisnost zvučnika (uz povećanje polarizacijskog napona). Podjelom pojedinih dijelova membrane (ili cijelih membrana nanizanih jedne do druge) na pojedina frekvencijska područja nastaje elektrostatski sustav koji ima dovoljnu iskoristivost pocijelom prijenosnom području.


Sl. 12.40. Proširenje frekvencijskog područja

1 na područje 2, fizičkom podjelom pojedinih dijelova

membrane i protuelektrode.

Sl. 12.41. Odvajanje pojedinih dijelova

membrane serijskim otpornicima


Usmjerna karakteristika elektrostata je vrlo usmjerena, i to s prednje i stražnje strane.

Kut isijavanja u horizontalnoj ravnini između ± 100 i ± 350, i to uz odgovarajuću konveksnost emitirajućih površina. Zato je vrlo važno ispravno postaviti elektrostatske zvučnike naročito kod stereo ili višekanalne reprodukcije.

Sl. 12.42. Usmjerna karakteristika elektrostata.


12.7.10. Piezoelektrički zvučnici

Djelovanjem električkog polja piezoelektrički kristal se širi ili skuplja.

S obzirom na način pobude koriste se dva titrajna sustava:

• smjer električke pobude je okomit na smjer mehaničkih titraja. Upotrebljava se kod dugih, uskih štapova.

• smjer električke pobude je isti kao i smjer mehaničkih titraja. Upotrebljava se kada je debljina elementa malena prema poprečnom rastezanju.

Obično se iz dviju piezoelektričkih keramičkih pločica lijepe elementi kojima se nanose elektrode i spajaju se serijski ili paralelno. Time se može izvesti mnogo, prema potrebi specifično obrađenih elemenata.


Sl. 12.43. Načini lijepljenja keramičkih pločica i načini ovjesa membrane na pretvarački element.

lijepljeno protuelektroda vodljivo izolator

Serijski spoj lijepljeno Paralelni spoj

izolator elektroda elektroda

protu-

elektroda

kućište

tangencijalni pomak normalni pomak

ovjes membrane

membrana

kristalni

element

zateg

membrana

okrugli piezokeramički pretvarač

jedina ovjesna točkapretvarača

neutralna ravnina


Piezoelektrički pretvarači rade s malim pomacima uz veliku silu. Zato su povoljni za rad na visokim frekvencijama.

Impedancija je kapacitivna, spajanjem više pločica u paralelu se smanjuje. Povoljno je i paralelno spajanje više zvučnika.

Izobličenja s povećanjem amplitude rastu, pa je potrebno ograničenje. Zato se često upotrebljavaju kao visokotonci.

Tada su često opremljeni odgovarajućim trubama zbog prilagođenja.

Prijenosno područje je od cca 4 kHz do iznad 30 kHz.

Elektroakustika 2007.12.7.11. Ionski zvučnici

Ionizirane čestice zraka služe kao membrana.

Čestice se ioniziraju ili zbog sudara molekula pobuđenih termičkim kretanjem u ultrazvučnom polju (frekvencije oko 27 MHz) ili malenim vodikovim plamenom u transparentnoj komori s dodatkom helija.

Ionizirane čestice dovode se u titranje pomoću elektrostatskog polja koje se mijenja u ritmu tonske frekvencije. Titranje se prenosi lijevkom na čestice vanjskog zraka.

Sl. 12.44. Ionski zvučnik


Ako su čestice ionizirane plamenom, zbog topline nije mogu omnidirekcionalno, tj. širi se

ene žice je smještena fina su postavljene oko centralne,

đu centralne elektrode i polukuglaste ć

će zatvoriti izvor, pa je isijavanjekuglasti val.

U kugli (Ø10 cm) od isprepletrešetka od 8 polukugli, koje igličaste elektrode. VF generator (27 MHz) daje napon od oko 1,5 kV, koji vlada izmerešetke. Zbog ionizacije nastaje vrunegativno nabijenih

a smjesa pozitivno i čestica, čime se stvara plazma volumena

oko 1 cm3. Plazma djeluje kao membrana.

Napon VF generatora je moduliran tonskim signalom, pa se u čina plazme (zbog promjene ovisnosti o njemu mijenja koli

temperature), čime se titranje prenosi na okolni zrak.

Prijenosno područje je od oko 5 kHz do iznad 60 kHz, uz izvrstan tranzijentni odziv te razinu tlaka do oko 100 dB(“Magnat” MP-X 066).


Sl. 12.45. Izvedba ionskog zvučnika

(Magnat)


12.8. UGRADNJA ZVUČNIKA

Korisnost zvučnika ovisi o otporu isijavanja Zr= ρ0 c=410 N s/m3

ako je promjer membrane velik u odnosu na valnu duljinu. Zato niskotonski zvučnici trebaju imati što veće membrane.

Ugradnjom malog zvučnika u eksponencijalnu trubu mogu se postići slični akustički odnosi kao i kod velike membrane. Naime, velike amplitude membrane male površine pretvaraju se u male amplitude čestica zraka, ali na velikoj površini.

Membrana, malena u odnosu na valnu duljinu, isijava svojom prednjom i stražnjom stranom po jedno kuglasto zvučno polje. Ta dva polja međusobno su protufazna i poništavaju se zbog akustičkog kratkog spoja. Odvajanje prednje i stražnje strane odgovarajućim zvukovodom spriječava kratki spoj

Zvukovod (npr. kutija) treba katkad povećati premalo prigušenje membrane.

Elektroakustika 2007.12.8.1. Ravna ploča

Najjednostavniji je način odvajanja prednje i stražnje strane membrane.

Akustički kratki spoj nastaje kada je vanjska dužina puta između prednje i stražnje strane manja od λ/2. Tada nastaje interferentni minimum zbog protufaznosti, pa zvučni tlak pada sa 6 dB/okt.

Sl. 12.46. Akustički kratki spoj

Sl. 12.47. Povećanje prijenosnog područja s pločom Minimalna veličina ploče s obzirom na valnu

duljinu


Npr., za f=50 Hz put bi bio oko 3,5 m (minimalna površina ploče 12 m2), pa je frekvencija na kojoj se pojavljuje poništavanje to niža što je ploča veća.

Pad zvučnog tlaka će se djelomično neutralizirati ako jezvučnik u ploču ugrađen nesimetrično (sl. 12.48).

Ako je ploča tako velika da nema pada zvučnog tlaka prije rezonantne frekvencije zvučnika smatra se da je ploča beskonačna.

Sl. 12.48 Nesimetrično ugrađen zvučnik neutralizira pad tlaka


Ozvučne ploče (kvadratne ploče s otvorom za zvučnik blizusredine) spriječavaju akustički kratki spoj uspješno do graničnefrekvencije fg.

Granična frekvencija iznosi fg=c/4d, gdje je d najmanji razmakizmeđu rubova zvučnika i ploče.

Budući da ispod rezonantne frekvencija zvučnika razinazvučnog tlaka vrlo brzo opada (12 dB/okt), nema svrhe ugraditizvučnik u ploču većeg d nego što odgovara toj frekvenciji.

Zvučnik se ne smije ugrađivati u ploču simetrično, jer napojedinim frekvencijama dolazi do vrlo izraženog minimumazvučnog tlaka, tj. maksimalnog poništenja protufaznih zvučnihtlakova.


12.8.2. Eksponencijalna truba

Uz pomoć trube može se akustičko prilagođenje znatnopoboljšati, čime se postiže zračenje veće snage, a time i boljakorisnost (u posebnim slučajevima do oko 45 %).

Trube mogu biti raznih presjeka (parabolične, konusne, hiperbolične itd.)

Najbolji se rezultati postižu eksponencijalnom trubom, koja jekonstruirana tako da se za jednake priraste duljine površinapresjeka povećava za isti postotak:

d=d0 eml

gdje je d promjer u bilo kojoj točki trube, d0 je promjer vrata roga, l je razmak između d i d0, a m je konstanta određena graničnom frekvencijom roga.


Granična frekvencija iznosi

π4cmfg

⋅=

Sl. 12.49. Presjek eksponencijalnog roga

Krajnji promjer roga de dan je izrazom

ge

cdω2

=


Truba

Duljina roga ovisi o početnom i krajnjem promjeru:

0

ln2 d

ddL ee=

povećava korisnost zvučnika u području srednjihfrekvencija, a ispod granične frekvencije uopće ne isijava. Donja granična frekvencija se treba poklapati s rezonantnomfrekvencijom zvučnika.

Radi kompenzacije reaktancije zračne mase (koja jeinduktivna), a time poboljšanja korisnosti, upotrebljavaju se tvrde membrane ili se sa stražnje strane membrane postavljatlačna komora (koja djeluje kapacitivno).

Da bi se uz što manju fizičku duljinu zvučnika s trubom postigladovoljno niska donja granična frekvencija, zvučnici se izvodesa savinutom eksponencijalnom trubom (npr. za zvučnik promjera 25 cm i fd=30 Hz truba bi trebala biti duga 4,86 m).


Usmjerna karakteristika trube ovisi o izlaznom otvoru, obliku (stupnju širenja) i frekvenciji. Oblikovanjem presjeka i otvora može se prema namjeni postići odgovarajuća usmjerna karakteristika.

Sl. 12.50. Konveksnost otvora će povećati kut isijavanja.

Elektroakustika 2007.Za smanjenje dužine trube eksponencijalna se truba može izvesti savijeno ili preklopljeno.

Takve se trube često upotrebljavaju u ozvučavanju otvorenih prostora i djelotvorne su u frekvencijskom području od 200 Hz do 8 kHz.

Sl. 12.51.

Preklopljena eksponencijalna truba

Sl. 12.52. Presjek zvučnika s tlačnom komorom s nastavkom za trubu


Trube mogu biti i ravne, naročito za više frekvencije, kao i s više ćelija, pomoću kojih se postiže konstantna usmjerenost.

Sl. 12.53. Razvijena truba s više ćelija.

Sl. 12.54. Frekvencijska karakteristika zvučnika bez i s trubom.

s trubom


Truba, predviđena za prijenos i nižih frekvencija od 30 Hz u zatvorenoj prostoriji, a građena preklopljeno, poznata je pod imenom Klipschorn (Sl. 12.55).

Sl. 12.55

Klipschov “rog” u presjeku te postavljen u kut prostorije


Zvučnik isijava zvuk svojom prednjom stranom u konusnu komoru između prednje ploče i montažnog zida kućišta. Na oba kraja te komore započinje lijevak, koji se (nakon jednog savijanja) nastavlja između zidova prostorije.

Zahtjevi na prostoriju i kvalitetu zidova su veliki.

Uz standardni zvučnik (Onkyo 38 cm) mogu se reproducirati frekvencije od 30 Hz do 500 Hz uz 114 dB zvučnog tlaka u prostoriji od 120 m3.

Elektroakustika 2007.12.8.3. Zatvorene kutije

Često se upotrebljavaju, jer su obje strane membrane međusobno odvojene, pa nema akustičkog kratkog spoja.

Zračni jastuk u kutiji ima određenu krutost i povisuje rezonantnufrekvenciju zvučnika. Povećanjem volumena kutije taj se nedostatak djelomice uklanja.

U zatvorenoj kutiji dolazi do vlastitih rezonancija, koje ovise o dimenzijama kutije. Da bi se utjecaj tih rezonancija smanjio, oblažu se stijenke kutije materijalima koji apsorbiraju zvuk.

Krutost zraka u kutiji je to veća što je kutija manja i što jemembrana zvučnika veća.

Sl. 12.56. Emisija zvuka iz zatvorene kutije


Sl. 12.57. Akustički analogni krug zvučnika u zatvorenoj kutiji

RAMA akustički otpor mehaničkog sustava MAUK ukupna akustička masa CAM akustička elastičnost mehaničkog sustava RAS akustički otpor isijavanja stražnje strane membrane CAB akustička elastičnost zračnog jastuka u kutiji

Elektroakustika 2007.Rezonantna frekvencija, ekvivalentni volumen i Q

Zatvoreni volumen zraka u kutiji smanjuje korisnost zvučnika, pomiče rezonantnu frekvenciju prema višim frekvencijama i smanjuje Q na rezonantnoj frekvenciji.

Sl. 12.58. Faktor dobrote Q u ovisnosti o

ekvivalentnom volumenu

Rezonantna frekvencija je1

AukAukCMf

r π=

2


Na osnovi podataka o ekvivalentnom- i netto-volumenu može se izračunati povišenje rezonantne frekvencije pri ugradnji u kutiju (uz Vek= ρ0C • CMM• S2, Vn je netto-volumen).

n

ekr

VV

ff

+= 193,00

U ovisnosti o dobroti sustava Q mijenjati će se i frekvencijska karakteristika na niskim frekvencijama, a i tranzijentni odziv zvučnika.

Sl. 12.59. Promjena frekvencijske karakteristike u

ovisnosti o Q


Pri svakoj rezonanciji dolazi do povišenja na frekvencijskoj karakteristici. Spretnim odabirom dimenzija kutije (npr. 5:7:10)mogu se rezonancije podijeliti tako da se ne gomilaju u užem frekvencijskom pojasu.

Svaka stijenka kutije ima svoju rezonantnu frekvenciju, koja ovisi o njezinoj površini, masi i elastičnosti.

Neželjeno titranje se može smanjiti ili odstraniti odgovarajućom konstrukcijom i učvršćenjima kao i prigušnim materijalima.

U zatvorenoj kutiji nastaju tri grupe rezonantnih frekvencija koje su određene međusobnim razmakom paralelnih stijenkikutije.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++= 2

23

2

22

2

21

2 cn

bn

ancfr


Kompresiona kutija je posebna izvedba zatvorenih zvučnihkutija.

Njezin je volumen znatno manji od volumena zatvorenihzvučnih kutija. Povećanje krutosti, koja se zbog toga pojavljuje, kompenzira se manjim zvučnikom s mekim ovjesom membrane na košari.

U kompresionim kutijama krutost membrane praktički ovisi o zračnom jastuku [air (acoustic) suspension, akustički ovjes].

Da bi se dobila niska rezonantna frekvencija, masu membrane treba povećati, što se često postiže prstenom na membrani.

Prednosti takve kutije su male dimenzije i dobar tranzijentniodziv, ali korisnost im je mala.


Sl. 12.60. Tipična komercijalna kompresiona kutija

Elektroakustika 2007.12.8.4. Bas-refleks kutije

Bas-refleks kutija je zatvorena kutija s cjevastim otvorom.Rezonantna frekvencija određena je krutošću zraka S

asom zraka MG u cijevienim zvučnikom nastaj

ezonantna frekvencija je

Gzatvorenog u kutiji i akustičkom m(Helmholtzov rezonator). S ugrađ evezani sustav sličan pojasnom filtru. Rto niža što je veći volumen kućišta i veća masa zraka u cijevi.

Sl. 12.61. Princip rada bas-refleks kutije


U slučaju (približno) jednakih rezonantnih frekvencija kutije i zvučnika f0 pojavljuju se za cijeli sustav dvije rezonantnefrekvencije od kojih jedna, fT, leži ispod, a druga, fH, iznadosnovne rezonantne frekvencije f0 (sl. 12.61).

Crtkana krivulja pokazuje impedanciju samog zvučnika, a punakrivulja impedanciju cijelog sustava.

Sl. 12.61. Impedancijska karakteristika zvučnika i sustava


Krutost F opruge koja je ovješena na membranu odgovarakrutosti zraka u kutiji, a masa M masi zraka u cijevi. Pri višimfrekvencijama (brzo pomicanje membrane) opruga sama apsorbira cijelu energiju, i masa M ne sudjeluje u titranju.

Sniženjem frekvencije počinje titrati i masa zaostajući pri tome iza titraja membrane za neki fazni kut. Pri nekoj određenojfrekvenciji, koja odgovara fH, fazni zakret između oba pomakaje točno 1800.

Daljnjim usporavanjem titrajne zavojnice smanjuje se faznizaokret i kod f0 iznosi 900. Membrana isijava relativno malo zvučne energije, dok većinu energije isijava tunel.

Napokon, kod donje rezonantne frekvencije fT oba supomicanja u fazi. Zvučna energija se emitira i iz membrane i iz tunela.


gdje su V=volumen kutije, l0 je dužina cijevi, a r0 promjer cijevi.

Na rezonantnoj frekvenciji kutije f0 isijavanje iz cijevi je fazno pomaknuto za 900 prema isijavanju membrane.

Isijana snaga je vektorska suma obje emisije.

Ako su obje rezonantne frekvencije jednake zvučnik je maksimalno prigušen i nema povećanja isijane snage. Izobličenja su tada mala.

Ispod donje granične frekvencije snaga zvuka pada s 18 odnosno 24 dB/okt.

Pomoću bas-refleks kutije postiže se dobra reprodukcija niskihtonova i ispod rezonantne frekvencije zvučnika, a ujedno i sniženje rezonantnog nadvišenja.

0

20

0 21

21

lVrc

MSf

GG ⋅⋅

==π

ππ


Tunel može biti četverokutan ili okrugao.

Na otvor tunela se može postaviti i pasivna membrana, koja može biti istih dimenzija kao i membrana zvučnika. Ona je tada akustički induktivitet (masa zraka) pa se volumen kutije može smanjiti.

Sama kutija mora biti izrađena vrlo čvrsto i kruto.

Unutrašnjost kutije se često oblaže apsorpcijskim materijalom koji treba prigušiti više frekvencije, tj. oko frekvencije fH.

Ugađanje kutije provodi se promjenom otvora i dužine tunela, dakle mase zraka u tunelu. Time se trebaju izjednačiti rezonantne frekvencije kutije i zvučnika.


Sl. 12.62. Bas-refleks kutija.

Elektroakustika 2007.12.8.5. Kutija s prijenosnom linijom (transmission line)

Da bi se prigušila rezonancija mehaničkog sustava zvučnik se može ugraditi u otvor duge cijevi (sl. 12.63).

Cijev, otvorena na drugom dijelu, ispunjena je apsorpcijskim materijalom, a zbog dužine savinuta je nekoliko puta (sl. 12.64). Dužina cijevi je λ/4 na f0, pa će rezonancija biti prigušena, a na nešto višim frekvencijama će zvučni tlak biti veći.

Sl. 12.63

Prigušenje rezonancije prijenosnom linijom


Sl. 12.64. Praktična izvedba kutije s prijenosnom linijom i njezina frekvencijska karakteristika.

Elektroakustika 2007.12.8.6. Zvučni stup

Koristi se za postizanje, uz upotrebu standardnih, najčešće širokopojasnih zvučnika, što šireg i jačeg horizontalnog zvučnogpolja.

Naime, ugradnjom više zvučnika u kutiju oblika vertikalnopostavljenog stupa dobiva se u horizontalnoj ravnini normalnausmjerna karakteristika, a u vertikalnoj ravnini je ona znatnospljoštena. Takva karakteristika je vrlo povoljna za ozvučenjevećih površina.

Sl. 12.65, sl. 12.66. Horizontalna i vertikalna usmjerna karakteristika


Do povećanja usmjerenosti zvuka pri primjeni više zvučnika u obliku zvučnog stupa dolazi zbog toga što zvučni valovi, kojeisijavaju pojedini zvučnici, nisu na svim mjestima u prostoru u fazi. Stoga ni rezultirajuća jakost zvuka nije svugdje u prostorujednaka zbroju jakosti pojedinih zvučnika, već je manja, a negdje i nula (ako dolazi do međusobnog poništavanja valova).

Zvučni tlak u pojedinim točkama prostora ovisi o frekvenciji i razmaku između zvučnika dzs. Pri npr. stupu s četiri zvučnika uz dzs=λ/4 zvučni tlak je nula jer se poništavaju tlakovi 1. i 3. te 2. i 4. zvučnika (sl. 12.67). Duljina stupa lzs se često uzima 4•λ za najnižufrekvenciju.

Sl. 12.67. Ovisnost zvu

čnog tlaka o dimenzijama zv. stupa i razmaku zvučnika

Elektroakustika 2007.Što je veći broj zvučnika u stupu, veća je i njegova usmjerenost.

Zakretanjem pojedinih zvučnika u stupu u odnosu na druge zaneki mali kut može se smanjiti prevelika usmjerenost na višimfrekvencijama (sl. 12.69).

Sl. 12.68. Uporaba usmjerne karakteristike zvučnog stupa

Sl. 12.69. Zakrivljenost zv. stupa mijenja usmjernu karakteristiku


12.8.7. Pregled osnovnih svojstava raznih zv. kutija

Tip kutije reprodukcija rezonancije u niskih tonova kutiji

volumen zvuka

koloriranost tona

zvučna ploča prosječna nema prirodan nema

prirodan mala

osrednji na SF

osrednji do malen

na SF

srednji do

eksponencijalni rog

jasna, bez izobličenja

nema

zatvorena kutija dobra na NF

kompresiona kutija

osrednja do loša

na SF

bas-refleks dobra postojevelik

na NF i SF

prigušena kutija dobra postoje osrednji slaba na SF

prirodan vrlo mala na SFs prijenosnom linijom

prirodna, bez izobličenja

nema


1. Neugrađeni zvučnik. Pad od 6 dB/okt je zbog akustičkog kratkog spoja

2. Eksponencijalni rog.

3. Zvučna ploča. Pad od 6 dB/okt radi akustičkog kratkog spoja

4. Velika zatvorena kutija. Ovisno o prigušenju pojavljuje se na f0 nadvišenje

5. Kompresiona kutija. Zbog prigušenja nema izražene f0

6. Bas-refleks. fd za 3 db niža nego kod jednako velike 4

7. Prigušena kutija. Nadvišenja neznatna

Sl. 12.70. Karakterističnost pojedinih tipova zvučničkih kutija u području rezonantne frekvencije


12.9. REPRODUKCIJA CIJELOG ZVUČNOG PODRUČJA

čničkim kutijama nalaze se dva, tri ili višesvaki u svojem frekvencijskom pojasu.

provodi se pasivnim ili aktivnimsu zapravo pojasni propusti, koji imaju,

U uobičajenim zvuzvučnika koji radeNjihovo električko odjeljivanjeskretnicama, kojeovisno o broju pasivnih elemenata, nagib prigušenja od 6, 12 ili18 dB po oktavi.

Sl. 12.71. Pojasni propusti pojedinih frekvencijskih grupa (a: dvostazna skretnica, b: trostazna skretnica).


Pasivne skretnice

Sl. 12.72. Osnovna raspodjela

frekvencijskih područja prema

tipu zvučnika

su izrađene iz pasivnih elemenata, daklekondenzatora i induktiviteta, dok aktivne skretnice tvoreelektronički sklopovi u kojima su osim pasivnih elemenataugrađeni i aktivni (npr. tranzistori, operacijska pojačala). Pasivne skretnice se spajaju između izlaznog pojačala i odgovarajućih zvučnika (niskotonskog, srednjetonskog, visokotonskog), te njihova opteretivost mora biti u skladu s opteretivošću svakog pojedinog zvučnika.


Sl. 12.74. Pasivna

Sl. 12.73. Načini spajanja pasivnih i aktivnih skretnica.

skretnica s 12 dB/oktavi za kutiju s tri zvučnika.


Sl. 12.76 Trosmjerna

Sl. 12.75. Dvosmjerna skretnica 1. reda

skretnica 1. reda



Sl. 12.78. Trosmjerna skretnica 2. reda



Sl. 12.79. Dvosmjerna skretnica 3.reda


Aktivne skretnice spajaju se između predpojačala i izlaznihpojačala, kojih ima onoliko koliko ima različitih zvučnika.

Npr. ako su u kutiji ugrađeni nisko-, srednje- i visokotonskizvučnik, tada su predviđene i tri odgovarajuće aktivne skretnice(filtri) i tri odgovarajuća izlazna pojačala.

Aktivne skretnice imaju znatnih prednosti pred pasivnima, jer se odjelne frekvencije mogu vrlo točno ugoditi, praktički se nepojavljuju procesi utitravanja i istitravanja, razina zvučnog tlakase može ugoditi za svaki frekvencijski pojas neovisno o drugome, nemaju utjecaja na faktor gušenja sustava pojačalo -zvučnik itd., ali su obično znatno više cijene, jer je potrebnoupotrijebiti i nekoliko izlaznih pojačala.


Sl. 12.81. Primjer dvokanalne aktivne skretnice.


Sl. 12.82. Izvedba pasivne zvučničke skretnice.


12.10 SLUŠALICE

Zaštićuju slušatelja od buke okoline i okolinu od buke reprodukcije.

Frekvencijska karakteristika, izobličenja i slušna perspektiva su često mnogo bolja od zvučničke reprodukcije.

Nedostaje osjećaj zvuka na tijelu.

Većina slušalica su elektrodinamičke, a postoji i nekoliko elektrostatskih i piezopolimernih (PVDF) izvedbi.

Najviša kakvoća u pogledu tranzijentnog odziva, malih izobličenja te izvrsne frekvencijske karakteristike postiže se elektrostatskim slušalicama.


Slušalice mogu biti zatvorene (cirkumauralne), koje u potpunostizatvaraju slušnu školjku, tj. naliježu na kožu lubanje.

Postoje i zatvorene supraauralne slušalice, koje svojim mekimrubom naliježu na samu školjku, ali i otvorene supraauralne, tj. one naliježu na školjku, ali je zvučno prigušenje između prednjei stražnje strane slušalice malo.

U neke svrhe se upotrebljavaju i slušalice smještene u samomzvukovodu.

Kod zatvorenih slušalica nastaje tlačna komora u sustavumembrana - zvukovod - bubnjić.

Kod supraauralnih slušalica ta komora je u prosjeku zapremineoko 6 cm3, a kod cirkumauralnih je, već prema izvedbi, zapremina i nešto veća.


Ako su dimenzije tlačne komore male u odnosu na valnuduljinu, zvučni tlak je proporcionalan pomaku membrane.

Za frekvencijski neovisan prijenos mora biti i pomakmembrane frekvencijski neovisan, što se kod dinamičkihpretvarača postiže s postavljanjem rezonantne frekvencijemembrane u gornje frekvencijsko područje prijenosnog pojasa.

Međutim, potpuna frekvencijska neovisnost zvučnog tlaka jeneželjena, jer je amplituda zvučnog tlaka u slobodnomzvučnom polju, mjerena na ulazu u zvukovod i pri frontalnomupadu zvuka, frekvencijski ovisna zbog efekata ogiba.

Stoga je frekvencijska karakteristika slušalica korigirana premaslobodnom zvučnom polju.


Literatura12.1 Jelenčić, I.: Zvučnici, Školska knjiga, Zagreb, 1991., ISBN86-03-99073-5

12.2 Franz, D.: Elektroakustik, Franzis Verlag München, 1990., ISBN 3-7723-9421-3

12.3 Ivančević, B.: Uvod u Hi-Fi tehniku, GrafiISBN 86-399-0055-8

12.4 Dickreiter, M. : Handbuch derMünchen, 1987., 5. izdanje, I

čki Zavod Zagreb, 1987.,

Tonstudiotechnik, Saur Verlag

h

SBN 3-598-10588-6, Band1 i 2

12.5 Everest, F.A.: The master handbook of acoustics, TAB books, McGraw-Hill, USA, 2nd edition, 1989., ISBN 0-8306-9396-3

12.6 Jaecklin, : Das Lautspraecherbuc

12.7 Junker, G: Einführung in die Raumakustik und Beschallungstechnik, Universität Wien, 2000., internetsko izdanje, pdf

12.8 www.quad.com

12.9 www.magnat.com


Izvor slika: sl. 12.17 lit. 12.7?sl. 12.18 lit. 12.7?sl. 12.19 lit. 12.10?sl. 12.20 lit. 12.2sl. 12.21 lit. 12.2sl. 12.22 lit. 12.1 sl. 12.23 lit. 12.1sl. 12.24 lit. 12.1 sl. 12.25 lit. 12.1sl. 12.26 lit. 12.1sl. 12.27 lit. 12.1sl. 12.28 litweb?sl. 12.29 lit. 1web?sl. 12.30 lit. 12.1sl. 12.31 lit. 12.1sl. 12.32 lit. 12web?

sl. 12.1 lit. 12.2sl. 12.2 lit. 12.3sl. 12.3 lit. 12.6sl. 12.4 lit. 12.1sl. 12.5 lit. 12.1 sl. 12.6 lit. 12.1 sl. 12.7 lit. 12.1 sl. 12.8 lit. 12.1 sl. 12.9 lit. 12.1sl. 12.10 lit. 12.1sl. 12.11 lit. 12.1.sl. 12.12 lit. 12.1sl. 12.13 lit. 12.1sl. 12.14 lit. 12.1sl. 12.15 lit. 12.3sl. 12.16 lit. 12.7

sl. 12.33 lit. 12.3sl. 12.34 lit. 12.2


sl. 12.35 lit. 12.2sl. 12.36 lit. 12.2sl. 12.37 lit. 12.3sl. 12.38 lit. 12.2sl. 12.39 lit. 12.8sl. 12.40 lit. 12.2sl. 12.41 lit. 12.2sl. 12.42 lit. 12.1sl. 12.43 lit. 12.2sl. 12.44 lit. 12.1sl. 12.45 lit. 12.9sl. 12.46 lit. 12.1sl. 12.47 lit. 12.1sl. 12.48 lit. 12.1sl. 12.49 lit. 12.1sl. 12.50 lit. 12.1sl. 12.51 lit. 12.1sl. 12.52 lit. 12.1

sl. 12.53 lit. 12.2sl. 12.54 lit. 12.2sl. 12.55 lit. 12.3sl. 12.56 lit. 12.2sl. 12.57 lit. 12.1sl. 12.58 lit. 12.1sl. 12.59 lit. 12.1sl. 12.60 lit. web? sl. 12.61 lit. 12.3sl. 12.62 lit. 1web?sl. 12.63 lit. 12.1sl. 12.64 lit. 12.3sl. 12.65 lit. 12. 2sl. 12.66 lit. 12. 2sl. 12.67 lit. 12.1sl. 12.68 lit. 12.1sl. 12.69 lit. 12.1sl. 12.70 lit. 12.3


sl. 12.71 lit. 12.1sl. 12.72 lit. 12.1sl. 12.73 lit. 12.1sl. 12.74 lit. 12.3sl. 12.75 lit. 12.1 sl. 12.76 lit. 12.1 sl. 12.77 lit. 12.1sl. 12.78 lit. 12.1sl. 12.79 lit. 12.1sl. 12.80 lit. 12.4sl. 12.81 lit. 12.3.sl. 12.82 autor 1999.

FER Zvucnici

Documents

Transcript of FER Zvucnici