Demystifikace vědy okolo elektroakustiky

aneb „z ničeho se nedá dělat věda, ani z vědy ne“ (J. Werich)
Demystifikace vědy

Já vím, takových článků už bylo, ale jak už to bývá, neustálé diskuse na téma „Ohmův zákon“ a spol. ukazují, že je stále třeba připomínat souvislosti, principy a zdravý rozum. Ovšem ten opravdový, nikoliv převlečenou ignoranci a lpění na chybných dogmatech domnělých autorit.

Abych tuto motivaci nastínil prakticky...

Dle některých vyjádření je situace u elektroakustických zařízení taková, že leckdo se dokáže orientovat při výběru reprosoustav podle parametrů, jako max SPL, zatižitelnost, citlivost apod. Málokdo se ale už prý dokáže orientovat v průměrech cívek, membrán, vyústění pro zvukovod a podobně. Zdá se vám to logické? Ale jděte. I v tomto uvedeném příkladu podle „zavedených principů a měřítek“ totiž stále platí, že větší je lepší. Takže větší driver je automaticky lepší než menší (obvykle zejména ve smyslu průměru vyústění), větší cívka je lepší než menší, a větší citlivost je vždy lepší než menší. Jinými slovy, i v této na první pohled vyšší úrovni stačí využít oblíbené poučky větší = lepší a jste v souladu s oblíbenými dogmaty (které jsou zase často naopak postaveny jako lepší = větší). Jenže reálná situace taková být nemusí, a o tom, že lepší má obvykle více hledisek, je tento článek.

Trocha elementárna

Reproduktor je něco jako elektro-mechanicko-akustický měnič, obvykle s mizernou účinností. Je to tak trochu něco, jako kyvadlo s vlastní hmotností, poddajností (snadnosti vychýlení z rovnovážné polohy) a tlumením (mechanickým ztrátám při pohybu). Při svém pohybu rozhýbává i vzduch, což je další pružné prostředí s určitou charakteristickou objemovou hmotností (hustotou), poddajností (stlačitelností) a tlumením (obvykle velice malým). Pokud ze začátku zanedbáme vlnové jevy v prostoru, postačí nám tato úvaha. Z empirické zkušenosti víme, že takové kyvadlo se po dodání energie dá do pohybu, po odeznění síly má tendenci dokmitávat vlastní (= rezonanční) frekvencí (podle tlumení) atd. Je také jasné, že uchopíme-li jej do ruky a budeme-li s ním hýbat, tedy dodávat vnucené kmity, bude se kyvadlo hýbat podle nás.


Takový reproduktor je rozhýbáván elektrickou silou. Po přiložení elektrického napětí začne docházet k průtoku proudu cívkou, který se přes převodní konstantu B.L (řekněme ekvivalentní magnetická indukce v mezeře krát délka drátu cívky v této mezeře) změní v sílu, jež začne urychlovat membránu (nebo i zpomalovat, zkrátka měnit rychlost) v určitém směru. Pokud je frekvence elektrického napětí vzhledem k rezonanční frekvenci soustavy reproduktoru příliš nízká, nebude zrychlení nijak veliké a kmity budou omezovány spíše mechanickými vlastnostmi závěsu (a samozřejmě i slábnoucí silou, když cívka začíná opouštět magnet – snížení B.L). Ze zkušenosti víme, že pohybovat pomalu s těžkým břemenem (například kyvadlem) jde poměrně snadno, než narazíme na nějaký limit, kmitat s ním ale rychle je pak skoro nemožné. Při zvyšování frekvence směrem k rezonanční frekvenci reproduktoru tak dochází k tomu, že se na charakteru kmitů stále více začíná uplatňovat hmotnost (= setrvačnost) membrány a vratná síla závěsu hraje postupně menší roli. Při dosažení rezonanční frekvence jsou pak setrvačnost, reakce závěsu a průběh budícího napětí maximálně v souhře, membránou se tak pohybuje nejsnadněji. Při dalším zvyšování frekvence dochází ke stále většímu boji především s hmotností (setrvačností), rychle klesá celková výchylka a reproduktor relativně efektivně předává část své energie do zvukového vlnění, protože i vzduch ochotněji přeměňuje pohyb membrány na změny akustického tlaku. Když se totiž relativně malá membrána (řekněme bez ozvučnice) pohybuje pomalu, vzduch ji stačí „obtéci“ a tlak se příliš nemění. Jinými slovy, případné změny tlaku se vyrovnávají rychleji, než jak je membrána stačí měnit, a k nárůstu tlaku poblíž membrány nedochází, zvuk se tedy skoro nevytváří. Teprve při vyšší frekvenci nestačí vzduch tak rychle reagovat, a dochází k nárůstu akustického tlaku, který znamená vznik a šíření zvuku. Platí, že pro stejné změny akustického tlaku se membrána pro nižší frekvence musí pohybovat s výrazně vyšší výchylkou, než u vysokých frekvencí. I vzduch v blízkém okolí se tak podepisuje i na efektivní hmotnosti membrány, která je tak vždy vyšší, než hmotnost samotného reproduktoru. Tato hmotnost je u nejpoužívanějších průměrů reproduktorů řádově 5-15g. Tento „selský“ model je třeba mít na paměti pro pochopení dalšího výkladu. Je sice velice (někdy až příliš) zjednodušený, ale pomáhá vytvořit jakousi „hmatatelnou představu“.

Účinnost, citlivost a topení

Účinnost by se dala charakterizovat jako poměr vyzářené zvukové energie vzhledem k energii dodané. Citlivost je na první pohled to samé, ale není tomu tak. Citlivost počítá pouze se zvukovou energií v daném směru. Jinými slovy, onen dobře známý jev s nárůstem hlasitosti reproduktoru při jeho umístění ke stěně, do koutu nebo do rohu limitně o 3/6/12 dB mění citlivost, nikoliv však účinnost. Toto se velice projeví především u horen s různou směrovostí. No a topení jsem zmínil proto, že 100% účinnost znamená do poloprostoru vyzářit akustický tlak přes 112 dB/1m. Citlivost 92 dB v poloprostoru tak při skutečně hemisférické vlně znamená účinnost pouhé 1%. Některé „hifistické“ popřípadě velice malé reproduktory pak mají citlivost někdy i nižší, než 82 dB, tedy 99,9% energie přemění na teplo. Máme jen štěstí, že se o tom nedoslechli zelení, když víme co potkalo žárovky, jež mají účinnost 2% (pro 100 W), což by u reproduktoru „odpovídalo“ 95 dB, o vysavačích raději pomlčím. 

Kam se to teplo podělo?

Teplo se generuje téměř výhradně v kmitací cívce. Odtud se šíří jednak po formeru (tělo cívky), za druhé se předává vzduchu a pólovým nástavcům (zářením, vedením). Četné stopy na spálených cívkách nasvědčují tomu, že nejméně se cívka ohřívá právě v magnetické mezeře – blízkost pólových nástavců, rychlejší proudění vzduchu a indukované napětí – to vše snižuje teplo v magnetické mezeře. Velké pólové nástavce (případně zkratovací prstence, kovové fázové korektory), stejně jako lité koše těsně obklopující cívku nad magnetickou mezerou tak mohou celkem účinně přispět k odvodu tepla z kmitačky.

Nyní jsme si již osvěžili základy a můžeme se vrhnout na zvukovody. Jedním ze základních problémů přímovyzařujících reproduktorů je jejich nevelká účinnost. Jen si vezměte takový parní 15“ s kmitající hmotností kolem 100 g. Zesilovač tedy bude cvičit se 100 g zátěží, ze které bude jen 10% činit vzduch. A není to jen o hmotnosti, ale i o poddajnosti vzduchu kolem reproduktoru. Když už chudák zesilovač rozhýbe tu 100 g činku, vzduch si při pohybu membrány celkem ochotně utíká pryč a nechce se stlačovat, pokud se s membránou nepohybuje poměrně rychle. Proto je účinnost přímovyzařujících reproduktorů tak malá. Řešením však není superlehká membrána, protože membrána musí být poměrně tuhá, aby se pohybovala jako píst i při vysokých frekvencích. Když nebude tuhá, začnou se šířit ohybové kmity/rezonance a to nám jistě mnoho neprospěje – zvuk bude získávat jakési charakteristické zabarvení.

S tímto se pojí jeden z oblíbených mýtů ohledně nutného výkonu zesilovače k reproduktoru. Dal by se charakterizovat asi takto: K velkému reproduktoru je potřeba parní zesilovač, protože slabý nestačí ubrzdit tak těžkou membránu... Toto vysvětlení je samozřejmě nesmysl. Membrána se jaksi nedává do pohybu sama od sebe, aby ji bylo potřeba brzdit. Energie z výkonového zesilovače totiž vždy mění rychlost pohybu membrány. Její relativní zrychlení nebo zpomalení tak jsou naprosto ekvivalentní. Možné přirovnání auta se silným motorem a slabými brzdami, která by se dala z onoho mýtu vyvodit, je tak zcela chybné, neboť u reproduktoru motor a brzdy jedno jsou. Slabý zesilovač tak nedokáže membráně dodat velkou rychlost, takže není co brzdit. Reproduktor se slabým zesilovačem akorát bude hrát tišeji, což opravdu není překvapení...

Tlakové reproduktory – compression drivers

...A tak moudří fyzikové vymysleli tlakový reproduktor. Ten má částečně uzavřený prostor před membránou, takže vzduch nemá moc kam unikat a dochází k jeho stlačování s pohybem membrány výrazně více, než u přímovyzařujícího reproduktoru. Díky tomu může do stlačování vzduchu přecházet více energie, než u přímovyzařujícího reproduktoru, a tedy roste účinnost. Technicky se tím dosáhlo lepšího přizpůsobení vyzařovací impedance membrány. Výrazně navíc pomáhá to, že tlakový reproduktor je obvykle navázán na zvukovod, který realizuje dvě zásadní věci:

1) impedanční přizpůsobení v daném pásmu

2) kontrola směrové charakteristiky v daném pásmu

Impedanční přizpůsobení znamená usnadnění přenosu energie (nárůst účinnosti), kontrola směrové charakteristiky pak zvyšuje citlivost tím, že zvukovou vlnu pošle tam, kam je potřeba. Díky tomu mohou mít tlakové reproduktory s hornou a nízkým vyzařovacím úhlem citlivost klidně 115 dB, což by odpovídalo účinnosti skoro 200% ve srovnání s přímovyzařujícím reproduktorem. Tak to samozřejmě není. Díky úzkému vyzařovacímu úhlu je celková účinnost řádově kolem 30%.

Důležité na celém příkladu je to, že driver sám s určitou účinností přemění elektrickou energii na akustickou vlnu ve svém vyústění a tato vlna vstupuje do zvukovodu (horny). Horna pak tuto vlnu usměrní do určitého prostoru, a zároveň se stará o co nejhladší přenos této vlny do vymezeného prostoru, tedy impedanční přizpůsobení. V případě impedančního nepřizpůsobení horny však nedochází k takové přeměně na teplo, jako u reproduktoru, neboť zde již energie vstupuje ve formě zvukové vlny. Ta část vlny, která se kvůli nepřizpůsobení nepřenese dál, se prostě „odrazí“. Odečte se od vystupující zvukové vlny a putuje zpět k driveru. Impedanční nepřizpůsobení mají na svědomí zejména jakékoliv skoky a nespojitosti v průběhu zvukovodu, přičemž velkou roli hraje jejich relativní velikost vzhledem k vlnové délce. Právě takové odrazy mají částečně na svědomí negativní zvukové charakteristiky horen, onen mírně nazální zvuk.

Hon za citlivostí

Pousmějete se někdy nad diskusemi „autohifistů“ a „autotunerů“ s jejich votuzidly, supvolfery, kapacitátory a honbou za každým decibelem? „Zvukaři“ se obvykle cítí být jaksi povolanějšími profesionály s daleko vznešenějšími cíli, ale já osobně na zvukařských diskusích spatřuji z mého pohledu „autohifistům“ poměrně ekvivalentní honbu za SPL. Musí to prostě pořádně tlačit a basta! Nějaká kvalita zvuku pak bývá zohledněna až ve třetí, páté řadě (zda vůbec). Z podobných tendencí se pak bere jako norma, že přímovyzařující reproduktor/satelity musí mít citlivost alespoň 100 dB. Jaksi mimochodem se zapomíná na to, že takové reproduktory dosahují citlivosti ani ne tak neobyčejně silným magnetem, jako spíše extrémně lehkou membránou, která jednak nemusí být zdaleka tak tuhá, ale také nebude přenášet nízké kmitočty (tím myslím pásmo 60 – 120 Hz), protože lehká membrána má zkrátka vysoký rezonanční kmitočet. Takové satelity jsou pak bez subwooferu v řadě případů takřka nepoužitelné a mohou mít někdy sklon k „ukřičenosti“, například vlivem špatně tlumených ohybových kmitů málo tuhé membrány...

Citlivost je totiž dána především třemi faktory – silou pohonu, hmotností membrány a její velikostí. Poslední dvě jsou přímo svázány s impedančním přizpůsobením vyzařovací impedance. Malá membrána proto nikdy nemůže mít vysokou citlivost, kromě pásma relativně vysokých kmitočtů. Opět jde o kompromis mnoha faktorů, který utváří výsledek, jak o tom budeme mluvit ještě mnohokrát. Vždy je tak třeba zamýšlet se nad konkrétní aplikací, a podle toho hodnotit vhodnost či nevhodnost možných alternativ, a hlavně nezapomenout zohlednit i kvalitu zvuku.

Takový zjednodušený výklad myslím jako slušná výbava pro začátek stačí. Můžeme se tedy vrhnout na pranýř marketingových nástrojů, přesněji na diskuzi nad technickými detaily řady aspektů reproduktorů.

Průměr cívky nebo průměr membrány u tlakových měničů?

O co jde? Každý tlakový měnič má určitou velikost výstupního otvoru, který navazuje na zvukovod. Zejména pro konstruktéry je tak podstatný průměr vyústění zvukovodu, aby ty dvě části k sobě prostě šly našroubovat. Ale jaký to má vliv na zbytek? Z pohledu samotného driveru jde o to, že tlakové měniče mají z důvodu své funkce téměř výhradně menší průměr vyústění (výjimečně stejný) než membrány, kterážto je prakticky shodná s průměrem kmitací cívky (výjimkou jsou kmitající prstence – ring radiator). Průměry vyústění jsou prakticky trojí – 1“, 1,4“ (1,5“) a 2“. Průměry cívek jsou od 1“ (častěji od 1,25“) až po cca 4“ (úctyhodných 10 cm). Jak to spolu souvisí? Inu, průměr membrány a tedy i cívky má kromě jiného i přímý vztah k zatižitelnosti, navíc souvisí s vlastní rezonancí měniče a tedy zdola omezuje oblast použitelnosti měniče. Naproti tomu průměr vyústění spíše vymezuje možné průměry cívek driveru (stejná nebo větší, než průměr vyústění), zato přesně determinuje možné velikosti zvukovodů. Obvykle platí následující vztahy průměrů vyústění k průměrům cívek (zvýrazněny nejběžnější varianty):

• 1“ – 1“, 1,25“, 1,5“, 1,75“, 2“ (2,5“), dělicí frekvence 1,5 kHz – 2 kHz

• 1,4“ – 2,5“, 3“, 3,5“ dělicí frekvence 800 Hz – 1,5 kHz

• 2“ – 2,5“, 3“, 3,5“, 4“ dělicí frekvence 500 Hz – 1,2 kHz

Vidíme tedy, že z tohoto hlediska není mezi 1,4“ a 2“ zvukovody prakticky žádný rozdíl, snad jen v nejpoužívanějších průměrech membrán, které budou u 2“ příruby směrem k 4“, zatímco u 1,4“ to bude kolem 3“. Nicméně hraniční ob-lasti se celkem překrývají. Můžeme se tak setkat s názorem, že 1,4“ (2“) příruby mají drivery o třídu vyšší kategorie, než 1“. Ovšem rozdíl mezi  1,25“ a 4“ membránou jistě bude jiný, než ,mezi 2“ a 2,5“ membránami. Výrobci proto podle mých zkušenosti častěji udávají jako hlavní parametr průměr membrány (zejména u celých reprosoustav), řidčeji průměr vyústění. S tím mají virtuální problémy někteří lidé, kteří se to snaží vykládat tak, že výrobce se snaží zákazníka oklamat, pokud uveden jen jeden průměr a není to příruba. Nicméně podle mého názoru poskytuje průměr membrány detailnější informace (a rozdělení), a podle údaje si jde celkem snadno domyslet, zda jde o přírubu nebo membránu.

Výhody velkých driverů

Kromě vysoké zatižitelnosti (a tedy předpokladu větší dynamické rezervy, nižšího zkreslení) je to zejména možnost nízké dělící frekvence, a tedy šance akusticky svázat obě pásma reprosoustavy tak, aby celková směrová charakteristika utrpěla co nejméně. Pro celkový charakter zvuku je pak jistě i přínosem, že pásmo lidské řeči, tedy zejména 500 Hz – 5 kHz, je přenášeno jedním měničem, a dává tedy předpoklad dobré srozumitelnosti. Ovšem nic není zadarmo. Velký driver má nad cca 5 kHz poměrně citelně klesající účinnost. To lze sice dohnat konstrukcí zvukovodu, ale jen částečně. Není tak výjimkou, že 4“ drivery nad 10 kHz nedosahují včetně zvukovodu citlivosti ani 100 dB, nad 20 kHz mohou hravě klesnout i pod 90 dB. V poslední oktávě tak vždy budou mít navrch menší drivery. Navíc dobré malé drivery mohou mít ve svém pásmu i vyšší účinnost, než velké, což lze snadno porovnat při měření na impedanční trubce neboli plane-wave-tube. Bohužel tyto údaje, umožňující porovnat samotné drivery bez ohledu na zvukovod, dnes poskytuje málokterý výrobce, včetně těch renomovaných. Asi všichni spoléhají na dodávání hotových kombinací, protože zákazník je hlupák a nevyznal by se v tom.

Další nevýhodou „velkého“ driveru jsou velké příčné rozměry zvukovodu, které jsou v poslední oktávě větší, než vlnová délka. V praxi se pak mohou vybudit i vyšší módy (příčné zvukové vlny), které se budou šířit i po jiných drahách a způsobí pak výrazný efekt hřebenového filtru vlivem vícecestného šíření, který je dobře vidět na nevyhlazených měřeních. Utrpí rovněž směrová charakteristika, neboť směrové chování začíná vykazovat již samotná plocha vyústění i bez vlivu horny.

Posledním faktem je, že opravdová horna, která má fungovat i na nízkých kmitočtech, musí mít patřičnou velikost (rozměry v poměru k vlnové délce, jinak ztrácí efekt impedančního přizpůsobení a rychle klesá citlivost), což však naráží na konstrukční a manipulační limity. Takže ve výsledku je horna přenosných beden s velkým driverem zase o kompromisu mezi dělícím kmitočtem, velikostí a hmotností reprosoustavy a směrového chování na středních kmitočtech.

Ve výsledku to tedy znamená, že pokud chceme opravdu rozumně srovnat dva systémy, je potřeba je porovnat poměrně detailně i s ohledem na možná úskalí, celek je pak potřeba hodnotit s ohledem na předpokládané použití. Jaký má například smysl použití „velkého a dospělého“ driveru, pokud je dělicí frekvence například 1,8 kHz? Jedině snad ve vyšší zatižitelnosti a ani ta nemusí automaticky znamenat příslušně vyšší akustický tlak. Potažmo je skutečně velký 1,4“ driver s 2,5“ membránou a dělící frekvencí 1,4 kHz o třídu lepší než 1“ driver s 2“ membránou a děličkou 1,5 kHz? Názory si udělejte nejlépe sami.

Konstrukce koše basového reproduktoru

Dalším oblíbeným předmětem diskusí a bojů je konstrukce koše reproduktoru. Podle zavedených „standardů“ platí, že litý koš je automaticky lepší, než plechový. Jak je to ale při bližším pohledu? Jakým způsobem se to podepíše na zvuku? Nejčastější argumenty pro lité koše by se daly shrnout následovně:

1) Litý koš je tužší, více eliminuje vibrace a nedeformuje se tolik při pohybu membrány.

2) Litý koš lépe nese váhu těžkého magnetu

3) Litý koš (neželezný) nesnižuje narozdíl od plechových magnetické pole v mezeře.

4) Litý koš lépe odvádí teplo a slouží tak jako účinný chladič.

Zkusíme se na tyto argumenty podívat více zblízka:

Tuhost koše

Tuhost litého koše je jistě vyšší, než u plechového výlisku. O tom bych nepochyboval. Otázka ale je, na kolik se vyšší tuhost uplatní z hlediska samotné činnosti reproduktoru a co je jen „navíc“. Pro plechové koše se používají rozličné tloušťky železných plechů. Pro nejmenší 3“-5“ reproduktory kolem 0,5 mm, přes obvyklých 0,9-1 mm u větších (10“, 12“, 15“) a levnějších reproduktorů, až po cca 1,4 mm (tlustší jsem zatím nepotkal). Dalším prvkem, zvyšujícím tuhost, jsou prolisy na ramenech koše. Ty se skládají z kombinace středového prolisu a zahnutých okrajů. Ty zvyšují celkovou tloušťku ramene vzhledem k délce a zvyšují tak výrazně tuhost, zejména v ohybu. Ne každý koš má využity obě techniky a se stejnou hloubkou prolisu, takže efektivní „tloušťka“ materiálu je různá i při stejné tloušťce plechu, například od 3 mm do 8 mm. Navíc je třeba míti na paměti, že železo je mnohem tužší materiál, než hliník, který se obvykle pro lité koše používá. 

Demystifikace vědy – ilustrace 8

Schválně jsem realizoval jeden trochu improvizovaný test prohnutí koše při zátěži u jednoho levného automobilového reproduktoru s 12“ membránou a 0,9 mm plechem s velice mělkými prolisy – prostě jsem reproduktor obrátil magnetem nahoru, stoupl si na něj (síla cca 900 N) a orientačně změřil posunutí magnetu. Výsledkem bylo posunutí cca kolem 0,5 mm, srovnatelné s chybou měření (pokles nebyl způsoben jen ohybem ramen, ale i obruby koše, která jinak není při pohybu namáhána).... Při typických hodnotách B.L řekněme 25 T.m u velice slušných 8 Ohm reproduktorů by podobná síla působila dynamicky na magnet při proudu 36 A, což odpovídá okamžitému výkonu cca 10 kW. Za sebe bych si tedy opovážil tvrdit, že dobře navržený plechový koš nebude mít s tuhostí problém, zejména u reproduktorů do 15“.

Vibrace koše

Dalším oblíbeným argumentem jsou parazitní vibrace koše, které následně zkreslují zvuk, někdy se lze setkat i s vysvětlením, že ohybové vlny se z magnetu přenášejí na okraj koše, a z něj pak na membránu, kde se vyzáří. K tomu bych řekl asi toto. Na začátku pohybu je kmitačka reproduktoru a magnet. Podle zákona akce a reakce je síla urychlující membránu stejná, jako síla urychlující magnet. Ten budeme pro zjednodušení brát jako ideálně tuhý, což nebude daleko od pravdy. 

Zrychlení pohybu je tak nepřímo úměrné poměru hmotností. Vezměme hodnotu Mms (kmitající hmotnosti membrány) řekněme 100g pro 15“ membránu. Hmotnost magnetu pak můžeme vzít cca 5 kg (u parnějších reproduktorů). Vidíme tedy, že poměr zrychlení pohybu je 1:50. Ve stejném poměru tak budou i celkové výchylky. A to počítáme s magnetem „ve vzduchu“, tedy bez vlivu tuhosti koše, který je pochopitelně značný, řekněme dramatický. I bez něj by ale v takovém případě (a za předpokladu stejné vyzařovací plochy magnetu a membrány, což je opět nesmysl), byl poměr vyzářených akustických energií přes 33 dB! Vidíme tedy, že již na začátku se membrána pohybuje výrazně více než magnet, a to jen na základě vzájemného poměru hmotností. Ve svém pohybu je magnet navíc zcela zásadně brzděn košem reproduktoru. Ohybové kmity se pak po paprscích reproduktoru přenáší na okraj koše, kde ovšem narazí na těžkou ozvučnici. Spoj je navíc obvykle proveden s těsnícím materiálem, který poměrně účinně tlumí i vibrace, ovšem za cenu mírného zhoršení tuhosti spoje. To je ale řekl bych v oblasti spíše čistě matematické, než reálně pozorovatelné. Ta část energie, která přežije tuto strastiplnou cestu od magnetu, pak hypoteticky může něco provádět s membránou, ale dle mého názoru jde o oblast spíše filosofickou...

Tento příklad navíc nebral v úvahu vliv tuhosti koše na pohyb magnetu. Takový koš je velice tuhá pružina, ve které se ohyb šíří navíc mnohem vyšší rychlostí, než zvuk ve vzduchu. V našem dvourozměrném příkladu membrána–koš tak reálně vystupuje ještě hmotnost ozvučnice (reálně není samozřejmě ideálně tuhá a je spojena přes další „pružný“ spoj), připojené přes velice tuhou pružinu reprezentující koš. To znamená, že síla, působící na koš, bude efektivně působit i na celou ozvučnici, přinejmenším na její „efektivní hmotnost“, tedy to, co z ozvučnice vidí „okraj koše reproduktoru“. Lze si snadno domyslet, že tento fakt znamená další zvýšení efektivní hmotnosti magnetu, a tedy nárůst poměru výchylek ve prospěch membrány. Nebude to sice o řád (ozvučnice s 5kg reproduktorem běžně neváží 50 kg), ale další dvojaž trojnásobek hmotnosti magnetu. K našim 33 dB tak můžeme klidně přidat nějakých 6 dB, čímž se dostaneme na hodnotu kolem 40 dB. Tužší koš pak naopak znamená, že se budou kmity více přenášet na celou ozvučnici, místo toho, aby „kmital magnet uvnitř ozvučnice“. Lehká plastová ozvučnice spolu s velkým basákem s lehkým neodymovým magnetem, zato tuhým košem, pak znamená, že nám membrána bude poměrně slušně rozehrávat celou ozvučnici pouze na principu akce-reakce hmotností membrány a zbyzku reprosoustavy. A to i v případě ideálně tuhé(!) ozvučnice. Přitom podle teorie je vše správně – neodym s tuhým košem je „nejvíc“, pořádně tuhá, zato lehká ozvučnice (kdo se s tím má tahat), je také jistě žádoucí. A pak nám to celé hezky hraje, zato doslova...

Pokud jde o vliv tuhosti koše na deformaci vahou magnetu, tak zde bych jen poznamenal, že správně dimenzovaný koš s tím mít problémy nebude, zato špatně navržený „šmejd“ jím zůstane, i kdyby byl třeba pozlacený...

Snížení magnetického toku v mezeře

Toto je snad jediný měřitelný efekt plechového koše. Železo, jakožto feromagnetický materiál, poměrně slušně vede magnetický tok. Při připevnění na magnet tak z určité části jímá magnetické pole z magnetu, o které je pak pole v mezeře slabší. Záleží však dosti na způsobu připevnění. U malých reproduktorů se může vkládat izolační materiál mezi koš a pólový nástavec, to ale brání přenosu tepla, a tedy chladícímu účinku koše. Vliv má i blízkost koše magnetické mezeře (velikost otvoru v koši). I při velmi nepříznivé kombinaci však měřitelný pokles toku bude až 5% (pokles SPL do 0,5 dB), což je srovnatelné s tolerancemi indukce mezi jednotlivými kusy (až 10%). I když pravda, zde jde vždy o snížení indukce.

Chlazení

Dalším z obecně předkládaných předností litých košů je schopnost chladit magnet. Odvod tepla od kmitačky je skutečně zásadní a může se citelně podílet na vyšší povolené zatižitelnosti měniče. Nicméně opět závisí na konkrétním provedení. Plechové koše mívají nemalou styčnou plochu s magnetem, přesněji s pólovým nástavcem. Nicméně díky relativně malé tloušťce materiálu a tepelné vodivosti železa je spád teploty vyšší, než u průměrných litých košů. Ty mají tu výhodu, že je lze vytvarovat takřka libovolně, dají se tak vyrobit tak, aby těsně navazovaly na magnetickou mezeru a usnadnily tak odvod tepla z kmitačky. Jinými slovy aby co nejlépe jímaly teplo z kmitačky. To trochu koliduje s potřebou vysoké lineární výchylky a vhodností jen nezbytně nutné výšky formeru. Nicméně nejde až o tak bolestný kompromis. Avšak tato možnost se zdaleka nevyužívá natolik, jak by se mohlo zdát, viz přiložené obrázky. Své dělá průřez ramen, styčná plocha s magnetem a úprava povrchu – hrubý povrch s práškovou barvou není zrovna nejlepším vodičem...

Jak vidíte, lité koše jsou sice technicky pokročilejší, avšak jejich reálný přínos je kromě estetické hodnoty a absence vlivu na magnetické pole ani ne tak diskutabilní, jako závislý na konkrétním řešení, rozhodně však není automatický, jak vidíme i z přiložených obrázků. Tím nechci hanět lité koše, ale spíše bych se zastal plechových košů, které opravdu nejsou samy o sobě špatné. Záleží na konstrukci a aplikaci, ostatně jako vždy!

Former kmitačky

Toto už je opravdu trochu vyšší dívčí, ale rád bych trochu osvětlil i tuto oblast. Former kmitačky je de facto nosná součást cívky. Právě přes ni se přenáší síla z vinutí cívky na membránu. To je její hlavní funkce. Má udržovat stabilní tvar při dynamickém i tepelném namáhání a přenášet pohyb. Ideální je obvykle co nejlehčí a nejtužší materiál. Sekundárními parametry jsou vodivost jak tepelná, tak elektrická. Tepelná vodivost je žádoucí, protože former je v podstatě v přímém styku s cívkou, a jako jediný tak má možnost odvádět teplo kontaktně. Avšak tloušťky formerů jsou typicky od 0,05 do 0,2 mm, takže žádný extrémní chladič to nebývá, nicméně každý kousek pomáhá (i proto, že former má k cívce doslova nejblíže) . Nejde ale jen o přenos tepla podél. U jednostranných vinutí plochým drátem je podstatný i přenos tepla skrze former směrem k vnitřnímu pólovému nástavci. Pokud má cívka jedno vnitřní a druhé vnější vinutí, tak tam tato funkce tolik podstatná není.

Jinou záležitostí je elektrická vodivost. Je-li former z vodivého materiálu, vznikají při jeho pohybu v magnetickém poli vířivé proudy, které kmitačku brzdí – tlumí její pohyb. Vedlejším důsledkem je i zahřívání formeru a případné vyšší zkreslení zvuku. Otázkou však je, do jaké míry vířivé proudy přispívají k celkovému zahřívání cívky v porovnání s chladícím účinkem.

Z vodivých materiálů je nejoblíbenější bezesporu hliník, velmi výjimečně nerez (některé automobilové výtvory). Z nevodivých se o prim dělí sklotextil (skelná vlákna, laminát) a kapton, což je de facto polyimidová fólie (Kapton je obchodní označení firmy DuPont, odolnost do cca 400°C). Často se ještě můžeme setkat s Nomexem (opět ochr. známka DuPont, odolnost cca 350°C), což je metaaramidová tkanina s vynikající teplotní odolností a mechanickými vlastnostmi.

Z mechanického hlediska má hliník dobré vlastnosti, kdy se tuhost a pružnost s teplotou prakticky nijak nemění, běžná lepidla mají na tento materiál dobrou přilnavost. Kaptonový former má rovněž vynikající teplotní odolnost, avšak při přehřátí má tendence se krabatět a dělat „bubliny“ (částečně důsledek vývinu plynů v zahřátém lepidle a měknutím materiálu). Lepidla se na něj chytají jinak celkem dobře.

Kromě teplotní odolnosti formeru se na maximální provozní teplotě stejnou měrou podílejí ještě izolace vinutí a lepidlo. Platí, že celek nemůže mít vyšší teplotní odolnost, než je teplotní odolnost nejslabšího článku. Když nejdříve povolí lepidlo, vinutí spadne. Když povolí izolace, vinutí se zkratuje mezi závity. Když povolí former, obvykle se zdeformuje a reproduktor se zadře. Je tak zbytečné nějakou složku předimenzovat, rozumné a ekonomické je mít všechny komponenty vyvážené.

Nicméně teplotní odolnost nemusí být neomezená. Kovy vykazují kladný teplotní součinitel odporu, který u mědi a hliníku má hodnotu asi 0,4% na 1°C. V praxi to znamená, že nárůst teploty o nějakých 250°C znamená nárůst stejnosměrného odporu na dvojnásobek. A protože je stejnosměrný odpor hlavní složkou impedance reproduktoru, znamená to, že při takové teplotě naroste rovněž impedance na dvojnásobek a příkon tak klesne na polovinu (o změnách ve frekvenční charakteristice pasivních výhybek ani nemluvím). Tomuto jevu se říká tepelná komprese. Znamená to, že nárůst akustického výkonu zdaleka neodpovídá nárůstu napětí (záměrně neříkám příkonu) na výstupu zesilovače. Pokud ji reproduktor snese, dá se říci, že takovou rozumnou měrou tepelné komprese je 1-2 dB, tedy ohřátí kmitačky o 65°C až 146°C. I kdyby reproduktor snesl vyšší teplotu, není příliš rozumné jej používat, protože nárůst „výkonu“ (přesněji napětí ze zesilovače) jde spíše do zahřívání kmitačky, než do akustického tlaku. Jediným myslitelným přínosem je tak vyšší odolnost proti hluché a hloupé obsluze, což může být přínosné, ale pro uvědomělého zvukaře nikoliv nezbytné. 

Co nám tedy zbývá? Magnet!

Jde o zcela zásadní část reproduktoru. Magnet je součástí pohonu (motoru) reproduktoru. Hlavní funkcí je vytvoření silného magnetického pole, které tvoří převod mezi elektrickým proudem a mechanickou silou urychlující membránu. Sekundární vlastností je schopnost odvádět teplo z kmitačky. Objemnější feritové magnety mají díky značné hmotě vysokou tepelnou kapacitu a též povrch, menší neodymové magenty s malou tepelnou kapacitou a povrchem si kvůli účinnějšímu vyzařování tepla často pomáhají i žebry (koš ne vždy stačí). Ferity bývají poměrně bezproblémové, mají vysokou teplotní odolnost (Tc kolem 450°C). Jsou akorát křehčí a výjimečně se mohou i odlepit. A jsou těžší, což je všude kromě manipulace jednoznačná výhoda. Naproti tomu neodymové magnety nabízejí sice možnost zajímavějších struktur a velice silné magnetické pole při nízké hmotnosti, avšak kromě vysoké ceny zvyšují nároky na chlazení kmitačky a některé horší magnetické slitiny neodymu mohou začít ztrácet sycení při ohřátí již nad nějakých 80°C, byť Curieova teplota je vyšší. Slitiny neodymu rovněž snadno korodují a musí se tedy opatřit kvalitní povrchovou vrstvou, což dále navyšuje cenu.

Jakási vyšší dívčí je pak geometrie magnetického pole, které by mělo být co nejsilnější, symetrické na obě strany od mezery a minimálně citlivé na změny pole, generované samotnou cívkou. K tomu se přidává ještě schopnost jímání tepla z cívky, opět co nejsymetričtěji i při vyšších výchylkách. Zatímco uvnitř magnetu bývá cívka stále poměrně těsně obklopena pólovým nástavcem a magnetem, směrem ven z magnetu často nemusí nic přesahovat magnetickou mezeru. Je pak poměrně trapné, když se cívka přehřeje a přeruší právě na tomto okraji, když zbytek cívky je poměrně slušně chlazen a drží. Tímto „drobným opomenutím“ je pak degradován celý reproduktor (viz obrázky ze začátku článku). 

Curieova teplota

Curieova teplota Tc je teplota, při které tepelný pohyb molekul rozruší magnetické domény v materiálu, který takřka skokem ztratí remanentní magnetické pole – odmagnetuje se.

Jinými slovy, z každého konstrukčního detailu je patrné, jak musí být reproduktor vyladěn z hlediska opravdu velkého množství nejrůznějších detailů, aby poskytoval dobře vyvážené parametry. Toto vyladění nemalou měrou zahrnuje i praktické zkušenosti a inženýrský instinkt, tedy ceněné know-how.

Perlička na závěr: Max SPL

Tak a je to tady. Tento parametr je modlou. V marketingu to dobře vědí, a proto z něj udělali takřka nicneříkající číslo. Obvyklá metodika jeho určení, tedy tzv. vypočteného SPL (calculated SPL) je asi následující:

Aktivní reprosoustavy:

Vezme se citlivost reproduktoru, například 100 dB. Vezme se špičkový výkon zesilovače, například 1000 W Peak (= 500 W RMS, i když limitery mohou delší špičky již omezovat, takže řekněme krátkodobý RMS), což je 30 dB, který se přičte k citlivosti, a máme jakž takž reprezentativní údaj pro rozumně dynamickou hudbu, tedy 130 dB SPL. To proto, že tato metodika nebere v potaz tepelnou kompresi.

Pasivní reprosoustavy

Citlivost reprosoustavy, například 100 dB. RMS zatížitelnost růžovým šumem dle IEC s crest factorem 6 dB (poměr RMS a peak hodnot) třeba 500 W, tedy 2000 W Peak (500W + 6 dB), což je 33 dB, výsledný max SPL je 133 dB.

Je dobré se při tomto parametru ještě zamyslet nad tím, zda se citlivost uvádí v poloprostoru (half space) nebo otevřeném prostoru (full space). Subwoofery, kromě těch pověšených, totiž obvykle hrají u země, tedy do poloprostoru. Větší reprosoustavy zase od 200-300 Hz také efektivně hrají do poloprostoru, neboť vzhledem k vlnové délce prostor „půlí“ již čelní deska (tzv. baffle step). U horen pak teto informace postrádá smysl. Vidíme tedy, že někdy zveličovaný rozdíl full space a half space se u nejpoužívanější kombinace sub+sat efektivně smrskne do pásma mezi koncem subwooferů a začátkem baffle stepu, který výrazně nastupuje asi u 200-300 Hz pro běžné PA reprosoustavy. Na numerickou hodnotu celkové citlivosti tak nemá dramatický význam, jak by se při pohledu na idealizovaný rozdíl full-space vs half-space až 6 dB mohlo zdát.

Slyšitelnost rozdílu SPL

Nyní vneseme trochu subjektivních parametrů, neboť jako subjekty zvuk vnímáme a vyhodnocujeme. Pokud jde o vnímání hlasitosti, tak se ustálilo několik záchytných hodnot. Za subjektivně dvojnásobnou hlasitost se považuje nárůst hlasitosti o 10 dB, tedy desetinásobný výkon. Naopak za práh slyšitelnosti změny celkové hlasitosti se považují asi 2 dB. Tím nemyslím změnu ekvalizace, kde je vnímání citlivější, ale pouhou změnu hlasitosti. Menší změny hlasitosti mohou jen mírně měnit vnímání například i barvy, ale obvykle si stěží uvědomíme, že jde o změnu hlasitosti. To doporučuji mít na paměti, pokud porovnáváme aparáty z tohoto hlediska. Rozdíl do 2 dB v citlivosti/max výkonu bude na hranici slyšitelnosti a dle mého názoru nemá smysl jej nějak zveličovat. Naopak, chcemeli výrazněji posílit aparát, bude obvykle potřeba počítat nejméně se 4 - 6 dB akustického výkonu navíc, aby změna výkonu byla nějak patrná, tedy 2,5 – 4násobek akustického výkonu. Jen je třeba mít na paměti i tepelnou kompresi, takže pohybujeme-li se v mezních hodnotách zatižitelnost, papírové zvýšení výkonu může být o 1-2 dB nižší, než očekáváme. Bude-li změny SPL dosaženo vyšší citlivostí, pak tato obava v podstatě odpadá (za předpokladu srovnatelné zatižitelnosti starých a nových reprosoustav).

SPL v uzavřených prostorách

Tím se pomalu dostáváme do další oblíbené a nepochopené oblasti – SPL v uzavřených prostorách. Je skoro pravidlem, že všichni uvažují pokles SPL se čtvercem vzdálenosti (-6 dB na dvojnásobnou vzdálenost) i pro uzavřené prostory, a podle toho volí výkonové poměry vzhledem k velikosti sálu. Avšak toto zdaleka neplatí, tedy kromě místností akusticky téměř mrtvých.

Magický parametr se jmenuje poloměr doznívání a udává vzdálenost, ve které je energie přímého zvukového pole a difuzního pole (dozvuk, odrazy od stěn) ekvivalentní. Pro skutečně rovnoměrné dozvukové pole je pak SPL v tomto bodě o 3 dB vyšší, než je úroveň difuzního pole, která je v celém prostoru stejná (dle teoretického modelu). Byť jde o teoretický model, poměrně slušně aproximuje realitu. Tento poloměr doznívání, případně kritická vzdálenost (critical distance), je obvykle jednotky metrů, v obytných místnostech v domácnosti či živějším studiu pak kolem jednoho metru. Proto se nedivte, že v sále je hlasitost vyšší, než ve venkovním prostoru...

Souhrn nejdůležitějších hledisek pro hodnocení ozvučovacích aparátů:

• zvukové parametry

• harmonické a intermodulační zkreslení

• neharmonické zkreslení, rezonance měničů

• impulzní či přechodová odezva (časová souslednost signálů)

• vyzařovací charakteristika, její průběh a rozsah, ve kterém je konzistentní

• schopnost limiteru (aktivní nebo pasivní) omezovat bez slyšitelného zkreslení vyšší hodnoty přebuzení (vhodné pro hluché zvukaře), např. jen 6 dB nebo  i 20 dB

• schopnost přežít vyšší hodnoty přetížení měničů nad jmenovitou zatižitelnost – de facto výkonová rezerva, zejména driverů

• cena oprav, měničů a náhradních dílů

• dostupnost servisu

• odolnost proti povětrnostním vlivům (např. stupeň krytí IP44 nebo IP66)

• podpora závěsných systémů

•  hmotnost a manipulace

• možnost skládání do clusterů

• odolnost při transportu

• případně ještě dostupnost továrních presetů či fyzikálních modelů pro účely třeba simulace

• certifikace (důležitost podle zamýšleného použití - EN54-24, DCI...)

• schopnost vzdáleného monitoringu a řízení

• nabídka funkcí DSP

• a samozřejmě CENA!

Epilog

Snažil jsem se nastínit vlivy a důsledky jednotlivých konstrukčních aspektů konstrukce reproduktorů na jeho parametry co nejpřístupnější „selskou“ formou, abyste se mohli rozhodovat podle vlastního rozumu a ne podle převzatých dogmat. Proto jsem zde nastínil dogmata jiná :-). Zkrátka a dobře, větší není vždy lepší, a vždy je potřeba vyhodnotit kombinaci všech relevantních hledisek vzhledem ke konkrétní aplikaci a nezapomenout na samotný poslech. Řada veličin totiž nijak nepopisuje zvukové kvality, jen se snadno měří a porovnávají. Tak jen doufám, že má (i vypůjčená či převzatá) slova padala na úrodnou půdu! To je prozatím vše. Doufám, že jste se nenudili a věřím, že nyní ještě více dokážete ocenit dobře hrající reproduktor, neboť již tušíte, že to není nic jednoduchého.