Wpływ zwrotnicy na współczynnik tłumienia

Wartość współczynnika tłumienia (ang. damping factor) dość często można znaleźć w kartach katalogowych wzmacniaczy. Obliczenie tego parametru jest bardzo proste. Należy podzielić impedancję znamionową kolumny przez impedancję wyjściową wzmacniacza. Przykładowo dla wzmacniacza o impedancji wyjściowej 0,1 oma i kolumny 8-omowej mamy:

Z pozoru interpretacja tego parametru jest prosta. Im większy współczynnik tłumienia tym lepiej. Oczywiście trzeba tu koniecznie dodać, że rozwiązania techniczne służące do zmniejszania impedancji wyjściowej wzmacniaczy mogą mieć swoje negatywne skutki uboczne. Ten aspekt nie będzie jednak przedmiotem naszych rozważań. Pominiemy też niektóre zjawiska związane ze współczynnikiem tłumienia. Jedno z tych zjawisk to odziaływanie siły elektromotorycznej głośników na sam wzmacniacz. Inne to zależność częstotliwościowej charakterystyki przenoszenia od charakterystyki wyjściowej impedancji wzmacniacza oraz impedancji kolumn - bo przecież zarówno impedancja kolumn jak i wzmacniacza jest zależna od częstotliwości.

Skupmy się tylko na tym aspekcie, który najściślej wiąże się z samą nazwą parametru - na tłumieniu. Zacznijmy od przypomnienia podstawowych faktów. Sygnał ze wzmacniacza powoduje przepływ prądu przez cewkę głośnika. Ponieważ prąd ten płynie w stałym polu magnetycznym, na cewkę oddziaływuje siła, która powoduje odchylenie cewki od położenia równowagi - a więc ruch. Z kolei ten ruch powoduje indukowanie siły elektromotorycznej (SEM) w cewce, która porusza się między nabiegunnikami magnesu. I stłumienie tej właśnie siły elektromotorycznej jest pożądane. Proszę zwrócić uwagę, że mamy tu odwrócenie ról. Zazwyczaj patrzymy na układ wzmacniacz-kolumna od strony wzmacniacza. Wzmacniacz jest generatorem, a kolumna obciążeniem generatora. Zaś przy analizie siły elektromotorycznej powstającej w głośniku, to głośnik jest generatorem, a wzmacniacz jest obciążeniem. W każdym bądź razie tak to wygląda w uproszczeniu.

Do tej pory pomijaliśmy fakt istnienia zwrotnicy. Co prawda z reguły jest ona zamontowana wewnątrz kolumny, ale przecież w sensie elektrycznym zwrotnica jest dodatkowym układem pomiędzy wzmacniaczem a głośnikiem. A zwrotnica zasadniczo zmienia funkcjonowanie całego systemu. Obiegowe opinie i wypowiedzi na temat współczynnika tłumienia zwykle pomijają wpływ zwrotnicy i przez to dają zafałszowany obraz sytuacji.

Jeśli głośnik spełnia rolę generatora, to zwrotnica wraz ze wzmacniaczem stają się obciążeniem. W celu uzyskania wysokiego tłumienia wskazane jest aby nasz generator - czyli w tym przypadku głośnik - był obciążony jak najniższą impedancją. Gdyby prawdziwy był uproszczony model pomijający zwrotnicę, to niska impedancja wzmacniacza faktycznie gwarantowałaby dobre tłumienie SEM. Żeby znaleźć odpowiedź jak to wygląda w rzeczywistości przeanalizujemy kilka przykładów.

Założenia przyjęte do obliczeń

Do analizy działania systemu wzmacniacz-zwrotnica-głośnik potrzebujemy zdefiniowania modelowego układu. Dalsze obliczenia będą wykonywane przy przyjęciu kilku założeń:

• Pominiemy impedancję kabli, lutów, połączeń i wyprowadzeń elementów.
• Rezystancję szeregową wszystkich cewek w zwrotnicach przyjmiemy jako 0,1 oma, co w warunkach praktycznych jest bardzo niską wartością.
• Impedancje głośników i wzmacniaczy będą reprezentowane przez rezystory (dla głośników 8 omów, dla wzmacniaczy wartości 0,01Ω, 0,2Ω lub 4Ω, stosownie do oznaczeń na wykresach i schematach).
• Pominiemy wpływ elementów filtru wysokotonowego na sekcję głośnika niskotonowego i wzajemnie, pominiemy też wpływ filtru niskotonowego na sekcję głośnika wysokotonowego. Co prawda w rzeczywistości istnieje wzajemne oddziaływanie poszczególnych gałęzi zwrotnic, ale jak można obliczyć jest ono nieduże i nie zmieniłoby wniosków, które zaprezentujemy poniżej.

Weźmiemy pod uwagę kolumnę dwudrożną. Na rysunku poniżej mamy trzy zwrotnice - odpowiednio pierwszego, drugiego i trzeciego rzędu. Wartości elementów zostały obliczone dla częstotliwość podziału 2.200 Hz oraz głośników o impedancji 8 omów. Wartości pojemności kondensatorów są wyrażone w mikrofaradach a indukcyjności cewek w milihenrach. Po lewej stronie zwrotnice są przedstawione w tradycyjny sposób. Po prawej mamy nieco zmienione schematy. Po pierwsze uwzględniliśmy na nich tylko część zwrotnicy stanowiącą filtr głośnika niskośredniotonowego. Po drugie głośniki i wzmacniacze zostały przedstawione w postaci rezystorów.

Po tych wstępnych przygotowaniach możemy już przejść do sedna sprawy, czyli prezentacji charakterystyk impedancji widzianych przez głośniki. Skupmy się tylko na głośniku niskośredniotonowym.

Przypadek zwrotnicy 1-go rzędu

Na wykresie przedstawione są trzy warianty, dla wzmacniacza o impedancji 0,01Ω, 0,2Ω oraz 4Ω. Wartości te są dobrane celowo. Odpowadają one trzem przypadkom, które możemy spotkać w praktyce. A więc może to być wzmacniacz tranzystorowy o bardzo niskiej impedancji wyjściowej (0,01Ω), przeciętny wzmacniacz tranzystorowy o przeciętnej impedancji wyjściowej (0,2Ω) oraz lampowiec o wysokiej impedancji wyjściowej (4Ω).

Dla częstotliwości podziału współczynnik tłumienia jest zbliżony do 1, większy w paśmie powyżej oraz mniejszy poniżej. Tak więc w całym zakresie pasma głośnik jest tłumiony elektrycznie, choć generalnie tłumienie jest znacznie mniejsze aniżeli w przypadku kiedy wpływ zwrotnicy jest pominięty.

Drugi wykres przedstawia te same krzywe, ale ze znacznym rozciągnięciem skali pionowej, tak aby dokładniej zobrazować sytuację dla tego zakresu gdzie tłumienie jest najlepsze. Jak widać dla częstotliwości w zakresie niskiego basu impedancja wyjściowa wzmacniacza faktycznie ma znaczenie.

Przypadek zwrotnicy 2-go rzędu

Charakterystyki impedancji widzianej przez głośnik przy zastosowaniu zwrotnicy drugiego rzędu różnią się istotnie od charakterystyk dla zwrotnicy pierwszego rzędu. Przede wszystkim dla częstotliwości podziału głośnik widzi bardzo wysoką impedancję. Co prawda dla wysokich częstotliwości impedancja dołączona do głośnika ponownie maleje i tłumienie SEM się poprawia, ale dzieje się to poza zasadniczym pasmem roboczym głośnika.

Na wykresie o rozciągniętej skali widać, że w zakresie niskiego basu zależności są podobne jak dla zwrotnicy pierwszego rzędu i także widać tu korzyści z niższej impedancji wyjściowej wzmacniacza.

Przypadek zwrotnicy 3-go rzędu

Charakterystyka impedancji widzianej przez głośnik podłączony do filtru trzeciego rzędu jest jeszcze bardziej pofałdowana. Podobnie jak to było ze zwrotnicą drugiego rzędu, tu też mamy lokalne maksimum impedancji, lecz położone nie na częstotliwości podziału lecz niżej, jeszcze w podstawowym paśmie roboczym głośnika. Potem mamy jeszcze jedno minimum i dalej impedancja znowu rośnie.

Powiększenie zakresu obejmującego impedancję od 0 do 5 omów ponownie ilustruje podobne zachowanie filtrów dolnoprzepustowych w zakresie niskiego basu.

Głośnik wysokotonowy

Do tej pory zajmowaliśmy się tylko głośnikiem niskośredniotonowym. Charakterystyki impedancji widzianej przez głośnik wysokotonowy są lustrzanym odbiciem charakterystyk dla głośnika niskośredniotonowego. Osią symetrii jest punkt podziału zwrotnicy. Ilustruje to poniższy rysunek, na którym przedstawione są charakterystyki dla zwrotnic 2-go i 3-go rzędu. Dla drugiego rzędu krzywe się pokrywają (wykres zielony), a dla trzeciego rzędu dobrze widać symetrię charakterystyki filtru górnoprzepustowego (wykres czerwony) oraz dolnoprzepustowego (wykres czarny).

Warto zwrócić uwagę na ciekawy aspekt. O ile zwrotnice pierwszego rzędu pozwalają zachować przynajmniej umiarkowane tłumienie elektryczne w całym paśmie roboczym, o tyle zwrotnice wyższego rzędu dają lokalne maksima impedancji w paśmie roboczym lub na jego skraju. Maksima te mają z reguły wartość co najmniej kilkudziesięciu omów. Dla tych częstotliwości tłumienie SEM przez układ elektryczny dołączony do głośnika jest znikome. Głośnik jest wówczas zdany na swoje własne tłumienie.

Wnioski końcowe

Główny wniosek z powyższych obliczeń jest oczywisty. Wbrew obiegowym stwierdzeniom, wzmacniacze o bardzo niskiej impedancji wyjściowej nie zapewniają dobrego tłumienia SEM głośnika przy współpracy z typowymi zestawami głośnikowymi. Dzieje się tak dlatego, że tłumienie SEM w sposób istotny zależne od zwrotnic znajdujących się pomiędzy wzmacniaczem a głośnikiem. Jedynie w zakresie najniższych tonów zauważalna jest wymierna poprawa tłumienia SEM wynikająca z zastosowania wzmacniacza o niskiej impedancji wyjściowej. Ale nawet w tym zakresie współczynnik tłumienia nigdy nie zbliża się do imponujących wartości podawanych w kartach katalogowych wzmacniaczy.

Jak widać na przedstawionych wykresach nawet przy zastosowaniu wzmacniacza o bardzo niskiej impedancji wyjściowej współczynnik tłumienia w zakresie niskiego basu może osiągnąć wartość 30-40. Taki wynik uzyskaliśmy przy bardzo ambitnych założeniach. Przyjęliśmy wartości cewek obliczone ze wzorów, przyjęliśmy też rezystancję cewek równą tylko 0,1 oma, pominęliśmy wpływ kabli.

W praktyce prawie zawsze zarówno wartości cewek jak i ich rezystancje są większe niż w przyjętych przez nas modelach. Ujawnia się też szereg innych zjawisk, jak zróżnicowanie impedancji głośnika i wzmacniacza. Także topologie zwrotnic często bywają bardziej skomplikowane. Ale tak czy inaczej współczynnik tłumienia osiągalny w zakresie niskiego basu z kolumnami dostępnymi na rynku będzie z reguły jeszcze gorszy niż w naszym modelu. Współczynnik tłumienia może być zbliżony do jedności w dużych częściach pasma, a często jest w niektórych zakresach jeszcze gorszy. Aby zapewnić dobre tłumienie SEM i skorzystać z jego dobrodziejstw należy więc skonstruować zestawy aktywne, które nie mają pasywnej zwrotnicy.