Na początek musimy zdefiniować, co rozumiemy pod pojęciem „zestaw pasywny”, a co „zestaw aktywny”. W pierwszym przypadku chodzić nam będzie o zestaw głośnikowy dwu- lub trójdrożny, w którym podział pasma częstotliwościowego pomiędzy poszczególnymi głośnikami jest realizowany za pomocą zwrotnicy pasywnej, a urządzenie – oprócz owej zwrotnicy i głośników – nie posiada w obudowie nic więcej (konkretnie chodzi nam o to, że nie znajdziemy tam wbudowanych wzmacniaczy, ani innych urządzeń elektronicznych). Pod pojęciem „zestaw aktywny” będziemy natomiast rozumieć zestaw głośnikowy, który posiada wbudowany wzmacniacz lub wzmacniacze, a podział pasma realizowany jest jeszcze przed owymi wzmacniaczami, za pomocą crossovera pracującego na sygnale liniowym. Możemy mieć jeszcze do czynienia z przypadkiem pośrednim, tzn. zestawem głośnikowym bez wbudowanych wzmacniaczy i bez zwrotnicy (czyli składającym się z samych głośników i obudowy), w którym moc dostarczamy z zewnętrznych wzmacniaczy, ale podział pasma dokonywany jest w osobnym urządzeniu (crossoverze, procesorze głośnikowym) również umieszczonym w łańcuchu elektroakustycznym przed wzmacniaczami. O tym rozwiązaniu też powiemy słów kilka na końcu artykułu, skupiając się jednak na zestawach pasywnych i aktywnych z wbudowanym wzmacniaczem.
PASYWNE ZESTAWY GŁOŚNIKOWE
są zbudowane – jak już wspomniałem – z odpowiednich głośników umieszczonych w specjalnie zaprojektowanej i wykonanej obudowie (z „dodatkami” typu kanały bass-refleksowe czy membrana bierna) oraz niezbędnym w tym przypadku układem pasywnej zwrotnicy. Owa zwrotnica to nic innego jak zestaw bardziej lub (przeważnie) mniej skomplikowanych filtrów typu LRC, odpowiadających za odfiltrowanie z sygnału niepożądanych pasm częstotliwości, tak aby np. na głośnik wysokotonowy nie podać sygnałów o częstotliwościach basowych, co mogłoby się skończyć niezbyt dobrze dla owego głośnika.
Zwrotnica to zestaw bardziej lub mniej skomplikowanych filtrów typu LRC, odpowiadających za odfiltrowanie z sygnału niepożądanych pasm częstotliwości.
W najprostszym zestawie głośnikowym, dwudrożnym, mamy dwa głośniki i dwa tory, na które zostaje podzielony sygnał wejściowy. W tym przypadku zwrotnica składa się z dwóch filtrów: górno- i dolnoprzepustowego, które dzielą cały sygnał na dwa osobne pasma. Oczywiście nie wygląda to tak, że wszystko co jest powyżej punktu podziału „idzie” do głośnika wysokotonowego, a to co poniżej tylko i wyłącznie do głośnika nisko-średniotonowego. Wynika to z tego, że każdy filtr ma pewne nachylenie swojej charakterystyki poza punktem częstotliwości granicznej filtru. Ale w pierwszym przybliżeniu możemy przyjąć, że filtr górnoprzepustowy przepuszcza do głośnika tylko sygnały o częstotliwościach wyższych niż jego częstotliwość graniczna, a filtr dolnoprzepustowy sygnały o częstotliwościach niższych niż jego częstotliwość graniczna. Są jeszcze filtry pasmowe, przepuszczające (lub tłumiące – w filtrze pasmowo-zaporowym) pewien fragment pasma, znajdujący się pomiędzy dwiema częstotliwościami granicznymi. Taki filtr znajdziemy w zwrotnicy zestawu trójdrożnego.
ZWROTNICE PASYWNE
Ponieważ sygnał wychodzący ze wzmacniacza i trafiający najpierw do zwrotnicy przenosi potrzebną (czasem całkiem sporą) moc, filtry takie powinny wprowadzać jak najmniejsze straty. Do budowy tych filtrów stosuje się rezystory, cewki i kondensatory, które powinny spełniać określone właściwości mocowe, poza odpowiednimi parametrami wynikającymi z osiągnięcia wymaganej częstotliwości podziału. Najprostszy górnoprzepustowy filtr pasywny jest pojedynczym kondensatorem włączonym w szereg z głośnikiem, najprostszym filtrem dolnoprzepustowym jest cewka, również szeregowo połączona z głośnikiem, lub kondensator połączony równolegle z głośnikiem. Aby otrzymać najprostszy filtr pasmowy musimy zastosować do jego budowy szeregowo połączone ze sobą cewkę i kondensator. Takie filtry będą filtrami I rzędu zapewniającymi nachylenie charakterystyki poza pasmem przenoszenia równe 6 dB/okt. Filtry wyższego rzędu będą charakteryzowały się większym nachyleniem zbocza filtru, z krokiem co 6 dB (czyli II rzędu – 12 dB/okt, III rzędu – 18 dB.okt, IV rzędu – 24 dB/okt itd.).
Choć zwrotnice pasywne mają bezsporne zalety – przede wszystkim są stosunkowo proste i tanie, nie zajmują dużo miejsca, nie potrzebują zewnętrznego zasilania, no i pozwalają na korzystanie z pasywnych zestawów głośnikowych bez konieczności posiadania dodatkowych urządzeń (oprócz wzmacniacza, bo bez niego ani rusz), czyli zewnętrznych crossoverów – jak wszystko w przyrodzie nie są idealne i mają sporo wad.
WADY ZWROTNIC PASYWNYCH
Zwrotnica pasywna to element, który znajduje się między wzmacniaczem a głośnikiem. Jak się okazuje oba te urządzenia dość istotnie mogą wpływać na pracę i parametry samej zwrotnicy. Impedancja głośnika ma dość istotny wpływ na pracę zwrotnicy, bowiem wraz ze zmianą częstotliwości sygnału również zmienia się również wartość impedancji. Nie jest to więc wartość stała, odpowiadająca impedancji znamionowej podawanej w specyfikacji głośnika. Przyjmując więc do obliczeń częstotliwości podziału stałą wartość impedancji obciążenia (a więc impedancji głośnika), narażamy się na, czasami dość spore błędy.
Impedancja głośnika czy zestawu głośnikowego zmienia się wraz ze zmianą częstotliwości sygnału.
Skoro zaś problem stwarza nam impedancja głośnika, to można się spodziewać, że od drugiej strony (czyli od strony wzmacniacza) też możemy napotkać na jakieś problemy. Czy tak jest w rzeczywistości? Odpowiedź brzmi – i tak i nie, bowiem impedancja źródła sygnału (wzmacniacza) nie pozostaje bez wpływy na pracę zwrotnicy, na szczęście w obecnie używanych wzmacniaczach ma ona tak niskie wartości, że można ją z czystym sercem pominąć.
Innym problemem może być temperatura, która wpływa na współczynnik rezystancji miedzi, z której wykonane są (w ogromnej większości przypadków) cewki głośników. Biorąc pod uwagę, że podczas pracy głośnika jego cewka może nagrzać się do temperatury 150ºC (a nawet więcej), rezystancja cewki głośnika o znamionowej impedancji 8 - która w temperaturze pokojowej wynosi ok. 6,6 - wzrośnie do około 10 , a więc prawie dwukrotnie. To sprawia, że również impedancja wzrośnie odpowiednio, co będzie powodować zwiększenie obciążenia zwrotnicy, zależnie od tego, z jaką mocą gra w danym momencie głośnik. Efektem tego jest tzw. „kompresja mocy” przetwornika. Szczególnie podatne na to zjawisko są głośniki niskotonowe, gdyż z reguły są zasilane większą mocą niż przetworniki wysokotonowe.
Kolejny problem, na jaki narażone są zwrotnice pasywne to zjawisko indukcji własnej, które polega na powstawaniu dodatkowej siły elektromotorycznej (SEM) w zamkniętym obwodzie elektrycznym, przy zmianie natężenia prądu płynącego w tym obwodzie, wywołanej przez zmiany skojarzonego strumienia magnetycznego związanego z tym prądem. SEM pojawiająca się w wyniku samoindukcji powoduje przepływ dodatkowego prądu elektrycznego, przeciwdziałając zmianom całkowitego natężenia prądu w obwodzie. Tłumacząc to na język bardziej zrozumiały i odnosząc to konkretnie do głośnika, owa siła elektromotoryczna (czyli – w uproszczeniu – napięcie) samoindukcji powstaje w momencie, gdy membrana głośnika porusza się, który to ruch wywołany jest przepływem prądu przez jego cewkę, lub gdy prąd w niej przestaje płynąć lub zmienia kierunek. Membrana i jej zawieszania charakteryzują się pewną bezwładnością, dlatego też układ taki nie może zatrzymać się natychmiast w momencie wyłączenia prądu. To samo tyczy się zmiany kierunku płynącego prądu, wywołującego zmianę kierunku ruchu membrany, a przecież wiadomo, że takie zmiany w przypadku sygnału muzycznego mają miejsce kilkaset czy kilka tysięcy razy na sekundę. Efektem tego jest „przestrzelenie” ruchu membrany w momencie wyłączenia sygnału przesyłanego do głośnika, bowiem pomimo braku „napędu”, siłą rozpędu membrana będzie kontynuowała swój ruch.
Układ ruchowy głośnika (membrana z cewką, zawieszenia) charakteryzuje się pewną bezwładnością, dlatego też nie może zatrzymać się natychmiast w momencie wyłączenia prądu.
Widać, że zjawisko to nie jest w głośnikach mile widziane – po pierwsze zmniejsza się wydajność głośnika, poprzez powstawanie SEM (napięcia), która powoduje przepływ wsteczny, przeciwstawiający się prądowi „napędowemu”, a po drugie membrana wykonuje dodatkowe, niepożądane, słabo tłumione ruchy, które również mają wpływ na przetwarzanie sygnału elektrycznego na akustyczny. W obu tych przypadkach przekłada się to na wierność odtwarzania sygnału muzycznego czy mowy.
Rozwiązaniem tego problemu jest…zwarcie zacisków głośnika: wiadomo, że jeśli zewrzemy obwód „na krótko”, napięcie w nim będzie wynosiło 0, a więc nie powstanie SEM samoindukcji i związany z tym „przeszkadzający” przepływ prądu. No dobrze, ale przecież nie możemy po prostu zewrzeć głośnika, bo po pierwsze nie będzie on mógł grać, a po drugie tak zwarty głośnik podłączony do wyjścia wzmacniacza wywoła również zwarcie jego wyjścia, w więc w najlepszym przypadku zadziałanie zabezpieczeń i wyłączenia urządzenia, a w najgorszym spalenie stopni końcowych, a może nawet i zasilacza. Dlatego też zadanie wirtualnego zwierania głośnika, a więc i walki z SEM samoindukcji, leży po stronie wzmacniacza.
I tu na scenę wkracza „magiczny” parametr wzmacniacza zwany
DAMPING FACTOR
albo inaczej „Współczynnik tłumienia”, który im jest większy, tym lepiej. Dlaczego? Ano właśnie dlatego, że wtedy wzmacniacz lepiej radzi sobie z samoindukcją głośnika, co wynika z faktu, że DF to nic innego jak stosunek impedancji głośnika/zestawu głośnikowego do impedancji wyjściowej wzmacniacza. Aby więc uzyskać dużą wartość DF impedancja wyjściowa wzmacniacza musi być jak najmniejsza (by uzyskać stan jak najbliższy zwarciu głośnika) – przeważnie jest ona równa dziesiątym, a nawet setnym częściom oma. Przy czym im mniejsza impedancja podłączonego doń zestawu głośnikowego, tym współczynnik tłumienia będzie mniejszy. Przykładowo, jeśli impedancja naszego zestawu nagłośnieniowego wynosi 8 , a impedancja wyjściowa końcówki mocy 0,1 , to Damping Factor takiego wzmacniacza przy tym obciążeniu wyniesie 80. To dużo czy mało? Powiedzmy – przyzwoicie, ale niestety to tylko czubek góry lodowej. Ściganie się producentów na urządzenia o gigantycznych często wartościach DF to w większości przypadków niestety tylko czysty chwyt marketingowy, który nie będzie miał przełożenia w warunkach rzeczywistych. I znów pojawia się pytanie – dlaczego?
Po pierwsze takie obliczenia nie uwzględniają np. rezystancji połączeń, które przy krótkich, grubych i dobrej jakości kablach może nie są aż tak bardzo istotne (znów mamy do czynienia z dziesiątymi częściami oma), ale jednak po dodaniu ich do impedancji wyjściowej wzmacniacza (bo taką sumaryczną jej wartość będzie teraz „widział” głośnik), może się okazać, że z rewelacyjnego DF na poziomie 2.000, zostaje nam może 100. Gdy zaś mamy „po drodze” jeszcze zwrotnicę pasywną, w której uwzględnimy samą tylko rezystancję cewek, wynik też może spaść jeszcze o połowę, a nawet więcej.
Druga kwestia to fakt, o którym już wspomniałem wcześniej – impedancja NIGDY nie ma wartości stałej. I nie chodzi tu bynajmniej o jej zmiany wynikające z temperatury powietrza (choć oczywiście też), ale o jej zmienność w funkcji częstotliwości. Będzie to dotyczyło zarówno impedancji zestawu głośnikowego, jak i wyjściowej wzmacniacza, a w przypadku zestawów pasywnych również impedancji zwrotnicy. Dlatego też dla każdej częstotliwości współczynnik tłumienia może być inny. To jednak w dalszym ciągu jeszcze nie wszystko. Wspomniane wcześniej czynniki (wpływ rezystancji kabli, cewek zwrotnicy, zmienność impedancji w funkcji częstotliwości) mogą nam pogorszyć katalogową wartość DF o kilkanaście czy kilkadziesiąt procent – w zależności też od tego, jaką wartość „wyjściową”, a więc katalogową, ma rozpatrywany wzmacniacz (im bardziej „kosmiczna” będzie to wartość, tym drastyczniej w rzeczywistości będzie ona mniejsza). Ale – nie wdając się już w szczegóły techniczne – w zestawach głośnikowych ze zwrotnicami pasywnymi może wydarzyć się też taka sytuacja, że ten współczynnik w pewnych sytuacjach, dla pewnych zakresów częstotliwości może spaść nawet do 0! Jaki to będzie miało wpływ na pracę głośnika i odtwarzanie przez niego dźwięków można sobie wyobrazić.
ZWROTNICA AKTYWNA
Remedium na wymienione wyżej bolączki zwrotnic pasywnych są crossovery, czyli zwrotnice aktywne, obecnie występujące już właściwie tylko w postaci urządzeń cyfrowych. Crossover to urządzenie oferujące różne filtry elektroniczne, o różnych właściwościach, które umiejscowione są przed wzmacniaczami.
Jedną z ważniejszych zalet takiego rozwiązania jest bezpośrednia relacja wzmacniacz – głośnik, w której głośnik spotyka się z korzystną dla niego, niską impedancją wyjściową wzmacniacza, a układ ten nie jest dodatkowo obarczony wadami zwrotnicy. Filtry elektroniczne umożliwiają też bardziej precyzyjne dokonanie podziału, oferując uzyskanie nachyleń zbocza rzędu 24, 36 lub 48 dB/okt, a co ważne wprowadzają nieporównywalnie mniejsze zniekształcenia, niż najlepiej skonstruowany układ filtrów pasywnych. Podłączone bezpośrednio do wzmacniacza głośniki mogą mięć też różną sprawność oraz impedancję. Łatwiej jest w tym przypadku też zbalansować poziomy poszczególnych głośników. Aktywny podział zwiększa także bezpieczeństwo pracy poszczególnych głośników. Każdy wzmacniacz można bowiem wyposażyć w kompresor/limiter dynamiki, zabezpieczając głośniki przed dostarczeniem zbyt dużej mocy.
Filtry elektroniczne umożliwiają bardziej precyzyjne dokonanie podziału, oferując uzyskanie nachyleń zbocza rzędu 24, 36 lub 48 dB/okt.
Aktywne zestawy głośnikowe z wbudowanymi wzmacniaczami mają już te wszystkie elementy odpowiednio zaprojektowane i dobrane przez producenta, co – przynajmniej z założenia – powinno zapewnić ich zgodną i bezproblemową pracę. W praktyce różnie z tym bywa – urządzenia renomowanych producentów, z wyższej półki cenowej, faktycznie są w stanie pracować latami bez awarii (o ile są użytkowane zgodnie „ze sztuką”), te tańsze, szczególnie producentów typu „firma Krzak”, czasem mogą nie przeżyć już pierwszej sztuki.
PODSUMUJMY
Jakie są więc wady a jakie zalety stosowania zestawów pasywnych i zestawów z aktywnym podziałem pasma i wbudowanymi wzmacniaczami? Pierwsze mają wbudowane pasywne zwrotnice, które mogą czasem sprawiać trochę problemów – o czym pisałem dość obszernie wcześniej. Z obsługowego zaś punktu widzenia wymagają dodatkowego urządzenia, w postaci wzmacniacza/ów, które zajmują dodatkowe miejsce zarówno w transporcie, jak i na/pod/obok sceny. Plusem takiego rozwiązania jest zaś to, że zasilanie wystarczy dostarczyć tylko do jednego miejsca, tzn. do racka ze wzmacniaczami, a do głośników sygnał dostarczamy już tylko jednym kablem głośnikowym.
Z kolei zestawy aktywne z wbudowanymi wzmacniaczami są „samowystarczalne”, tzn. najczęściej po prostu wystarczy je podłączyć i grają – nie potrzebują żadnych dodatkowych urządzeń. Niestety aby poprawnie działały do każdego musimy dostarczyć zarówno sygnał, jak i zasilanie, co czasami może sprawiać pewne problemy.
Rozwiązaniem pośrednim są zestawy z aktywnym podziałem pasma, ale bez wbudowanych końcówek mocy. Co prawda wymagają one nie tylko wzmacniaczy, ale również crossovera czy procesora głośnikowego (albo coraz powszechniej używanych wzmacniaczy wyposażonych w DSP), jednak w tym przypadku mamy pełną kontrolę zarówno nad podziałem pasma, jak i dostarczaną do głośników mocą (odpowiednio konfigurując ustawienia limiterów). Jednak w tym przypadku potrzebna będzie wiedza użytkownika o obsłudze systemów nagłośnieniowych w stopniu „nieco” większym, niż tylko podstawowym, chyba że mamy już odpowiednio skonfigurowane i zapisane w presetach ustawienia crossovera i wzmacniacza. Jednak dla osób o totalnie podstawowej wiedzy i umiejętnościach z dziedziny nagłaśniania i tak najbardziej polecanym rozwiązaniem będą urządzenia głośnikowe z wbudowanym wzmacniaczem i processingiem, i to najlepiej z jak najmniejszą liczbą „ficzerów”, tak aby wystarczyło je podłączyć do prądu, podać na nie sygnał, włączyć i ustawić gałką pożądaną głośność. Wtedy trudno będzie coś zrobić źle lub (co gorsza) uszkodzić urządzenie.
