o knjizi

akustika prostorija

zvučnici

pojačala

spojni kabeli

mjerenja

pitanja i odgovori

Links

Site Map

Akustika prostorija

Akustička izolacija

Akustički projekt studija

Repetitorij akustike prostorija

Sazetak o akustici prostorija

Osnovne postavke akustike prostorija

Analizirajte sami vlastitu slušaonicu i projektirajte akustiku

Akustika prostorija i mogućnosti konstrukcije dipolnih zvučnika

Linkovi o akustici prostorija

DIY elemente akustike prostorije

Dipolne konfiguracije realizirane dinamičkim zvučnicima i akustika prostorije

O akustici prostorija, akustičkoj obradi i akustičkim oblogama napisani su brojni stručni i popularni članci, a postoji mnogo jednostavnih i vrlo složenih programa koji nam omogućavaju analizu i sintezu akustike prostorija. U ovoj rubrici ni mi nismo bili izuzetak; objavili smo neke članke koji obrađuju akustiku prostorija. Mnogi naši posjetitelji i čitatelji nisu u mogućnosti napraviti složene akustičke proračune ili nabaviti složene konstrukcije akustičkih obloga, a s druge strane nije svima moguće napraviti proračun za optimalni položaj zvučnika u prostoriji ili za točna mjesta postave akustičkih obloga. To je razlog zbog kojeg ćemo, u ovom novom članku o akustici prostorija, temeljenom na knjizi AKUSTIKA PROSTORIJA, pokušati analizirati tipičnu slušaonicu i prikazati neka najnovija rješenja. Danas većina stručnjaka misli da dobar elektroakustički sustav može i treba izvrsno raditi u velikom broju različitih slušaonica te da je pri tome potrebna minimalna ili nikakva akustička obrada. Temelj ove tvrdnje su posebne konstrukcije i konfiguracije zvučničkih sustava.

U našim ranijim člancima pokazali smo kako su za prostornu akustiku malih slušaonica karakteristične rezonancije na diskretnim frekvencijama. Te rezonancije nazivamo modovi. Objasnit ćemo još jednom što su to male prostorije. Akustički mala prostorija je ona prostorija čije su dimenzije "male" u odnosu na valnu duljinu zvuka koji se u njima reproducira. Tako npr. uzmemo li kao donju graničnu frekvenciju reproduciranog zvuka 20 Hz, lako ćemo odrediti valnu duljinu vala oko 17 m. Ako su dimenzije prostorije mnogo manje od 17 m, onda je prostorija "akustički mala" u odnosu na reproduciranu valnu duljinu. Istovremeno, promatramo li npr. frekvenciju od 200 Hz; valna duljina je 1.7 m i prostorija će za 200 Hz biti "akustički velika". Recimo odmah da dobro projektiran linijski dipol, o kojima ćemo govoriti u članku, reproducira linearno do otprilike 15 - 17 Hz.

Ako izvor zvuka u otvorenom prostoru, koji ima jednolik zvučni tlak na svim frekvencijama, postavimo u neku prostoriju, primijetit ćemo kako zvučni tlak više nije jednolik. Na nekim frekvencijama bit će mnogo veći, nego u otvorenom prostoru. Te frekvencije su rezonantne frekvencije prostorije. "Pjevanje u kupatilu" je fenomen koji se objašnjava modovima. Površine kupatila imaju vrlo zanemarivu apsorpciju, a dimenzije su takve da se javljaju jake rezonancije na frekvencijama ljudskog glasa. Dakle, pri analizi akustike neke prostorije ispitujemo efekte zapremnine i geometrije prostorije na raspodjelu rezonantnih frekvencija koje se podudaraju s fizičkim dimenzijama prostorije. Rezonancije prostorije su na onim frekvencijama čije valne dužine ili pravilni višekratnici valnih dužina odgovaraju dimenzijama prostorije. Rezonancije prostorije zovu se još i modovi. Nastaju na fundamentalnim frekvencijama i harmonicima. Broj modova na visokim frekvencijama je izuzetno velik, stoga oni ne rezultiraju neravnomjernostima frekvencijskog odziva, nego samo povećavaju glasnoću. Na niskim frekvencijama valne dužine su reda veličine dimenzije auditorija, pa će broj modova biti malen. Na višim frekvencijama, valne dužine su mnogostruko manje od dimenzija auditorija pa će broj modova biti vrlo velik. Promatramo li frekvencijsku raspodjelu modova vidjet ćemo kako se broj modova povećava kako raste frekvencija pobude. Lošu akustiku imaju one prostorije čiji broj modova ne raste jednoliko. Ako modovi rastu nejednoliko, doći će do višestrukih modova na istim ili vrlo bliskim frekvencijama. To će rezultirati porastom zvučnog tlaka na toj frekvenciji ili u intervalu bliskih frekvencija. Takav neprirodan porast zvučnog tlaka nazivamo koloracija. Ako su modovi na niskim frekvencijama udaljeni bar 20 Hz, neće doći do izraženih koloracija. Evo frekvencijske raspodjele modova u sobi dimenzija 3.6m x 4.35m x 2.25m te broj modova u 1/3 oktavnim intervalima u području od 0 do 200 Hz. Iznad te frekvencije je područje u kojemu su modovi izuzetno gusto raspoređeni pa ne mogu djelovati koloracijama pri reprodukciji.

Slika prikazuje sve modove koji nastaju u promatranoj prostoriji i točne frekvencije. Na donjem dijelu prikazan je raspored modova po trećinsko oktavnim intervalima. Pri tome, plava linija prikazuje teoretsku idealnu distribuciju modova, a zelena prikazuje stvarnu distribuciju.

Distribucija modova relativno je pravilna, ali uočljivo je odmah kako je u trećinsko oktavnom intervalu u okolišu 100 Hz broj modova nešto veći od teoretski idealne distribucije. To je područje u kojem možemo očekivati koloraciju. Višestruki modovi koji nastaju na tim frekvencijama rezultirat će naglašenom rezonancijom prostorije. Najveći utjecaj na kvalitetu reprodukcije imaju aksijalni modovi.

Ovi grafovi pokazuju da u akustici prostorije na različitim lokacijama u prostoriji dominiraju diskretne rezonancije. Iznad 200 Hz te rezonancije su vrlo guste, kako frekvencijski, tako i vremenski, pa se prostorija akustički ponaša izuzetno ujednačeno. Takvo ujednačeno stanje najbolje se opisuje vremenom odjeka.

Akustički tretman prostorije može biti izuzetno efikasan na frekvencijama iznad 200 Hz, međutim, iste efekte možemo estetski postići i uobičajenim namještajem, slikama na zidu, tapiserijama, debelim tepisima. Kakav i koliki tretman prostorije je potreban, kao i koliko je potrebno vrijeme odjeka ovisit će o karakteristikama zvučnika. U slušaonicama uvijek treba postojati neko vrijeme odjeka, tj. ne smije se previše prigušiti. Međutim, najveći problemi nastaju ispod 200 Hz, zbog ekstremno nepravilne vremensko frekvencijske raspodjele koloracija. Koloracije nisu izražene u području u kojemu je udaljenost susjednih modova manja od 20 Hz. Međutim, u promatranom slučaju, na frekvenciji 90, 93 i 96 Hz su rezonancije koje će ovo frekvencijsko područje naglasiti pri reprodukciji. Prikazat ćemo 3-dimenzionalnu raspodjelu zvučnog tlaka kombiniranog odziva gore navedena 3 moda u prostoriji.

Za analizu prostorija napravljeni su mnogi programi koji računaju rezonancijske modove pa temeljem proračuna preporučavaju optimalna mjesta za položaj zvučnika. Međutim, ovdje treba znati kako su realne prostorije mnogo složenije od aproksimacija koje se koriste za proračune. Bez detaljne analize, naglasit ćemo kako su rezultati mnogih proračuna samo vrlo grube aproksimacije jer zidovi prostorija nisu beskonačne krutosti, prostorije imaju vrata, prozore, viseće stropove itd. Pored toga, karakteristika usmjerenosti zvučnika i akustička impedancija izvora (primijenjenog zvučnika) određuju stupanj pobude rezonancija prostorije, a to je različito za svaki zvučnik. Slično tome, isto se odnosi i na preporučene omjere dužina stranica prostorije. Pri tome, što je mnogima čudno, najveće probleme u prostoriji izazivaju upravo primijenjeni zvučnici. Promatramo li klasični zvučnik na niskim frekvencijama npr. do 200 Hz, primijetit ćemo da su to tzv. omnidirekcionalni izvori jer jednoliko emitiraju energiju u svim smjerovima prostora. Teoretski ih možemo na tim frekvencijama aproksimirati tzv. točkastim izvorom ili monopolom. Takvi zvučnici pobudit će maksimalni broj rezonancija prostorije, posebno ako su smješteni u kutovima prostorije. Svaki pokušaj akustičke obrade prostorije na niskim frekvencijama rezultirat će vrlo malim efektima, osim ako ne primijenimo ogromne količine apsorpcijskog materijala na vrlo velikim plohama. Iako se to mnogima "hifi čistuncima" neće svidjeti, najefikasnije je rješenje primjena parametričkog ekvalizera i atenuacija vrhova, dok se udubljenja u frekvencijskom odzivu nastala uslijed faznog poništavanja ne mogu nikako kompenzirati. Od klasičnih konfiguracija zvučnika tzv. dipolna konfiguracija ili linijski dipol zbog svoje usmjerenosti pobuđuje najmanji mogući broj rezonancija prostorije. Zbog toga ćemo detaljnije analizirati dipolnu i linijsku dipolnu konfiguraciju, ali prije toga prvo nešto o usmjerenosti zvučnika i odzivu prostorije.

Usmjerenost zvučnika i odziv prostorije

Slušamo li glazbu u slušaonici, pri definiranju glazbenog osjeta i doživljaja, ljudski auditorni sustav analizira timbar, ali i vremensku i frekvencijsku raspodjelu signala virtuelnih zvučnih izvora. Kada bi čuli samo direktni zvuk, koji dolazi najkraćim putem, od zvučnika do slušatelja, čuli bi signal s najvećom mogućom definicijom. Međutim, pored direktnog zvuka čujemo i zvuk prostorije uslijed rezonancija i refleksija od graničnih ploha i predmeta u prostoriji - direktni zvuk i reflektirani zvuk se sumiraju. Dakle, ako bi nekako uspjeli u što većoj mjeri smanjiti količinu reflektiranog zvuka, očito je da bi naš osjet pri reprodukciji bio bliži originalu. Očito je da će najveći utjecaj na reflektirani zvuk imati karakteristike usmjerenosti zvučnika i taj utjecaj će biti to veći što se slušatelj nalazi udaljenije od zvučnika. Ukratko ćemo navesti kako djeluju refleksije s obzirom na trajanje i vrijeme dolaska u odnosu na direktni zvuk. Maksimalno pojednostavljeno: vrlo kratka kašnjenja od 0 - 2 ms, ljudski sustav sluha koristi pri određivanju smjera zvuka i ovaj vremenski interval je krucijalan pri formiranju stereo slika. Duži intervali, recimo do 50 ms, se grupiraju pri formiranju ambijentalne impresije. Kašnjenja duža od 50 ms čujemo kao diskretnu jeku.

Ako izvor zvuka emitira zvuk jednoliko u svim smjerovima prostora, onda se takav izvor naziva monopol i teoretski se može zamisliti kao mala pulsirajuća kugla. Za razliku od monopola, dipolni izvor emitira zvuk usmjereno sa snažnom nulom u odzivu koja leži u ravnini okomitoj na smjer emitiranja zvuka. Stvarni zvučnici u praksi niti su monopoli, niti dipoli, osim na niskim frekvencijama gdje su emitirane valne duljine mnogo veće od fizičkih dimenzija kutije.

Već smo kazali kako je idealni monopol zvučnik koji emitira svu energiju jednoliko u svim smjerovima prostora. Postoji vrlo mali broj zvučnika koji aproksimiraju ovu karakteristiku. Takav zvučnik u svim smjerovima prostora emitira zvuk i slušatelj prima zvuk, u kojem se osim direktnog zvuka nalazi i najveća moguća količina refleksija iz svih smjerova prostora. Takav zvuk može biti izuzetno ugodan (ili neugodan), ali moramo naglasiti kako je direktni zvuk maksimalno maskiran karakteristikama zvuka prostorije u kojoj se sluša. Tipični elektrodinamički zvučnik, bez obzira na princip rada i konfiguraciju sustava, porastom radne frekvencije postaje sve više i više usmjeren. Čak i kada je zvučnik potpuno linearnog odziva, ukupna akustička snaga koja se emitira u prostoriji opada za 10 dB (10 puta) u intervalu između niskih i visokih frekvencija. Ovaj strahovito nepravilan frekvencijski odziv snage i s tim povezana vrlo jaka pobuda niskofrekvencijskih modova prostorije rezultira poznatim i neželjenim zvukom dinamičkog zvučnika.

Usmjereni odziv idealnog dipolnog zvučničkog sustava realizira se niskofrekvencijskim zvučnicima ugrađenim u ploče. Ovdje treba uočiti kako za realizaciju iste razine zvučnog tlaka u osi, dipolni zvučnik treba emitirati u prostoriju samo 1/3 snage u odnosu na monopol. To znači da će prostorija manje utjecati na percipirani zvuk za 4.8 dB, odnosno to znači da će slušatelj u prostoriji čuti 4.8 dB glasnije za istu snagu, a istovremeno to znači da će i susjedi čuti 4.8 dB tiše. Međutim, dipolni zvučnici se ne konstruiraju tako često jer ih je potrebno ugraditi u velike ploče, koje su nepovoljne s estetskog stajališta, vrlo ih je teško postaviti u prostoriji, imaju vrlo slabi bas, zbog akustičkog kratkog spoja, a konačno i područje za reprodukciju tzv. "sweet spot" im je vrlo suženo. Akustički kratki spoj između prednje i stražnje strane dipolnog zvučnika zahtijeva od zvučnika u dipolnoj konfiguraciji da gura mnogo veću količinu zraka, nego što bi to radio zvučnik u kutiji. Ako se dipolni zvučnik umjesto elektrostatskim ili magnetodinamičkim planarom realizira klasičnim dinamičkim zvučnikom s velikim pomakom membrane, moguće je realizirati dipolni zvučnik mnogo manjih dimenzija, nego što su to panelni zvučnici. Ovakav tip zvučnika ima mnogo ujednačeniji odziv snage nego klasični zvučnik u kutiji, a emitiranje zvuka izvan osi određuje stupanj do kojeg će smještaj zvučnika u prostoriji i akustika prostorije slabiti karakter reproducirane glazbe - basova. Najgori zvučnici u ovom aspektu kvalitete zvuka su zvučnici u kutiji, pa panelni dipolni zvučnici i omnidirekcionalni zvučnici, a najbolje ponašanje pokazuju dipolni zvučnici s konusnim membranama.

Pokušat ćemo pokazati kako se uspostavlja zvučno polje u prostoriji i što se pri tome događa te kakav je utjecaj akustičkih pojava na jasnoću reprodukcije.


Pretpostavimo primjer u kojemu je zvučnik ugrađen u zid prostorije i emitira akustički val. Taj val dolazi do suprotnog zida i reflektira se od njega prema zvučniku koji ga je izazvao. Ako je udaljenost između zvučnika i suprotnog zida L i točno odgovara polovini valne dužine, tada će gibanje membrane biti u fazi s reflektiranim valom i zvučni tlak će se povećavati sve dok se ne uspostavi ravnoteža predane zvučne energije i apsorbirane zvučne energije. To je pojava stojnog vala. Rezonancija u akustici ima iste karakteristike kao i bilo koja druga rezonancija sustava s masom, elastičnošću i prigušenjem. Povišenjem frekvencije, rezonancije će se javiti pri odnosima u kojima je L jednaka punoj valnoj dužini, poluvalu, 3/2 valne dužine itd…

Najniža frekvencija je fmin = c / (2 L) Hz, gdje je c=343 m/s brzina zvuka

Ako se zvučna pobuda izvede tzv. step funkcijom, tada će zvučni tlak porasti od 10% do vrijednosti 90% ustaljenog stanja u vremenu Tporasta = 0.7 / BW, gdje je BW širina frekvencijskog pojasa krivulje rezonancije u Hz pri razini pola snage (-3 dB). Razina zvučnog tlaka oslabit će 60 dB od pune razine nakon vremena T60 = 2.2 / BW.

Faktor dobrote ili Q faktor rezonancije bit će Q = n fmin / BW , gdje je n = 1, 2, 3, itd.

U paralelopipednoj prostoriji sa 6 graničnih ploha broj mogućih stojnih valova je mnogostruko veći nego u našem opisanom primjeru s dvije plohe. Frekvencije na kojima će se rezonancije pojaviti mogu se izračunati iz:

f = ( c / 2 ) [ ( l / L )2 + ( w / W )2 + ( h / H )2 ]1/2 [Hz]

l, w, h = 0, 1, 2, 3 etc.

Ovi proračuni temeljeni na rješenjima valne jednadžbe izuzetno su popularni, ali nisu u potpunosti realistični pri predviđanju položaja zvučnika u prostoriji, niti za predviđanje optimalnih dimenzija prostorije. Osnovna zamjerka im je što ne uzimaju u obzir karakteristike usmjerenosti zvučnika, položaja zvučnika u kutiji, frekvencijskih područja rada, faznog odziva sustava. Ipak, najveća mana je što ne vode računa o tipu izvora. Tip izvora u potpunosti definira koji će modovi biti pobuđeni u prostoriji, a koji neće. Isto tako, modovi se ne mogu eliminirati kosim plohama ili zakrivljenim zidovima - takvi postupci samo mijenjaju frekvencije nastajanja i unose pomake u način raspodjele modova.

U knjizi Akustika prostorija pokazali smo da broj modova N između zadanih frekvencija može procijeniti izrazom:

N = (4 p / 3) V (fm/c)3 + (p / 4) S (fm /c)2 + (1 / 8) Le (fm /c) (6)

gdje su:


V = L W H [m3]


S = 2 ( L W + L H + W H ) [m2]


Le = 4 ( L + W + H ) [m]

Ukupni broj modova vrlo brzo raste porastom frekvencije, ali se i međusobno primiču. Srednja udaljenost modova fm je onda:

df = c3 / ( 4 p V fm2 ) [Hz]

fs = 2000 ( T60 / V )1/2 [Hz]

Frekvencija fs zove se Schroederova frekvencija i označava približnu granicu koja dijeli ponašanje prostorije između ječnog polja i diskretnih modova.

Vrijeme odjeka T60 odnosi se na prosječni koeficijent apsorpcije prema Sabineovoj relaciji

T60 = 0.163 V / ( S a ) [s]

Udaljavanjem od izvora direktno zvučno polje u prostoriji jednoliko slabi. Ječno polje je, više ili manje, jednoliko distribuirano u prostoriji. Interesira nas na kojoj udaljenosti od izvora će ječno polje i direktno polje biti jednake vrijednosti? Nazovimo tu udaljenost "kritična udaljenost". Izračunat ćemo je prema:

xr = 0.1 ( G V / (p T60) )1/2 [m]

faktor usmjerenosti G je 1 za monopol, a G = 3 za dipol.

Prema tome, dipol ima 1.73 puta veću kritičnu udaljenost. To znači da na 1.73 puta većoj udaljenosti od dipola, u odnosu na monopol, imat ćemo isti omjer direktnog i ječnog polja.

Tipična kritična udaljenost u prostoriji je relativno mala, ali omjer razine direktnog zvuka Ld prema razini ječnog polja Lr je viša 4.8 dB u slučaju dipola.

Niže razine ječnog polja u slučaju dipola znatno reduciraju utjecaj maskiranja zvučnih detalja pri reprodukciji. Istovremeno, u glasnim pasažima, ta pojava eliminira osjet akustičkog preopterećenja prestorije, a naši susjedi će pri istoj glasnoći, čuti daleko manju razinu zvuka.

U prostoriji je uvijek potrebno neko vrijeme za uspostavljanje ječnog polje. Kombinacijom jednadžbe za vrijeme odjeka i T60 dobije se

Tporasta = 0.32 T60 [s]

Vrijeme odziva prostorije Tporasta možemo zamisliti kao vremensku konstantu prostorije. Ako se zvuk mijenja mnogo brže od vremenske konstante ne mogu nastati refleksije, jer za to nema vremena pa se prostorija neće u potpunosti odazvati na pobudu te ćemo čuti samo direktni zvuk.

U svakodnevnoj praksi vrijeme odziva prostorije je dovoljno dugo u odnosu na vrijeme koje je potrebno reflektiranom zvuku da dođe do slušatelja i zbog toga ječno polje ne maskira refleksije. U ovisnosti o usmjerenosti izvora zvuka i refleksija od predmeta u prostoriji, ponekad može biti nužna specifična apsorpcijska i/ili difuzijska obrada. Međutim, ni u kojem slučaju s tim se ne bi smjelo pretjerati jer je uvijek potrebna određena količina bočnih refleksija koje pojačavaju osjet prostora.

Nakon što smo pojasnili odnos monopola i dipola sa stajališta akustike prostora, pobjasnit ćemo princip rada dipolnog zvučnika, ali bez mnogo matematike

Zamislimo dva točkasta izvora zvuka poput dviju pulsirajućih ping pong loptica. Ove dvije loptice su međusobno razmaknute za udaljenost D i istovremeno pulsiraju nekom frekvencijom, tako da za vrlo mali iznos povećavaju i smanjuju svoj promjer. U trenutku kada prva loptica poveća svoj promjer, druga ga smanji; to znači da emitiraju impulse u protufazi.

Promjer loptica je zanemariv prema valnoj dužini emitiranog zvuka. Zamislimo os koja povezuje središta ovih pulsirajućih kugli i produžimo je u jednom smjeru. Ako se naše uho nađe u nekoj točki na ovome pravcu, interesira nas što ćemo čuti? Očito je da ćemo prvo čuti impuls kojeg emitira bliža kugla, a zatim drugi impuls kojeg emitira druga kugla. Ovi impulsi bit će suprotnog polariteta, a nazivaju se "dublet". Vremenska razlika ova dva impulsa bit će T=d/v, gdje je d udaljenost kugli, a v brzina zvuka. Zamislimo sada simetralu okomitu na spojnicu osi zvučnika; kako je prikazano na slici.

Što ćemo čuti na simetrali? Istovremeno će do nas doći dva impulsa suprotnog polariteta, koji će se međusobno poništiti - nećemo čuti ništa. Dakle, dipolni izvor ima dvije snažne nule u smjeru okomitom na os koja spaja akustičke centre. U intervalu (između ove dvije linije) od 0 do 90 stupnjeva, zvuk će se mijenjati u ovisnosti vrijednosti kosinusa. Što će se dogoditi mijenjamo li frekvenciju pobude? Magnitudni i fazni odziv odredit će ponašanje dubleta u frekvencijskom području. Pogledajmo oblik frekvencijskog odziva dubleta u osi.

Frekvencijski odziv pada s nagibom 6 dB/oktavi prema nižim frekvencijama, a u odzivu možemo primijetiti i oštre nule na visokim frekvencijama ali i područje sa 6 dB višim odzivom.

Zašto nastaju nepravilnosti odziva? U momentu u kojem su točkasti izvori suprotnih polariteta udaljeni za 1/2 valne dužine emitiranog zvuka, javlja se dodatnih 180 stupnjeva faznog pomaka i rezultirajući zvučni tlak jednak je sumi oba izvora, pa je pojačanje +6 dB.

Želimo li dipol koristiti za ozvučenje tj. za realizaciju zvučnika, očito je da mu od frekvencijskog odziva nema mnogo koristi - odziv je potrebno ekvalizirati. To se radi u frekvencijskom području povećanjem pojačanja s nagibom od 6 dB/oktavi. Ovo jednoliko promjenjivo pojačanje ekvivalentno je integraciji signala i dublet odziv dipola pretvara se u odziv monopolnog izvora. Zahtjev za povećanjem pojačanja pojačala u iznosu od 6dB/oktavi postavlja vrlo velike zahtjeve za pomakom membrane bas zvučnika.

Da bi se zadržala konstantna razina zvučnog tlaka, monopol mora za svako dvostruko smanjenje frekvencije istisnuti čertverostruku zapremninu zraka (+12dB/ok), a dipol osmerostruku tj. (+18dB/okt). Uz tako velike zahtjeve vrlo brzo se postigne maksimalni pomak membrane pa se zvučnik ne može koristiti ispod neke granične frekvencije. Potrebno je primjeniti više zvučnika. U praktičnoj realizaciji dipolnog zvučnika, moguće ga je realizirati s dva obična zvučnika u kutijama koje su okrenute leđima kao na slici.

 

Međutim, to nema nikakvog smisla napraviti jer je osnovni cilj realizacije dipolnog zvučnika, pored smanjenja utjecaja akustike prostorije i eliminiranje utjecaja kutije. Analizirajmo u najkraćim crtama princip dvije kutije spojene leđima. Na frekvenciji na kojoj je udaljenost među zvučnicima jednaka polovini valne dužine emitiranog zvuka, nastaje vrlo oštra rezonancija, koja je uzrok pada u frekvencijskom odzivu i nakon toga vrlo nepravilno izdizanje i osciliranje. Ova dva zvučnika moguće je zamijeniti jednim zvučnikom koji mora istisnuti istu količinu zraka kao i dva zvučnika.

Takva konstrukcija naziva se "dipolna H konfiguracija" i vrlo je pogodna za realizaciju dipolnih sustava najviše moguće kakvoće. Tada nastaje vrh s nepravilnim istitravanjem koji se eliminira tzv. notch (klanac) filterom. Čak i kada se ovaj vrh eliminira, konstrukcija se najčešće koristi samo u području ispod rezonantne frekvencije. Pogledajmo skicu jednog vrhunskog dipolnog sustava Linkwitz. Sustav se sastoji od panela s dva 8" bas srednjetonska zvučnika i 1" visokotoncem, dipolnog subwoofera s dva 12". Na slici nije prikazana aktivna skretnica s ekvalizerom i 3 pojačala od 50 - 200W.

Dipolni linijski izvor

Ako u dipolnom izvoru točkaste izvore zvuka (monopole) zamijenimo linijskim izvorom zvuka dobijemo tzv. dipolni linijski izvor. Jedan od dipolnih izvora je i, svima poznata, glazbena viljuška:

 

Vidjeli smo kako je konstrukcija dipolnog zvučnika iznimno složena, jer je potrebna aktivna skretnica s integratorom odziva na niskim frekvencijama, aktivnim notch filterom i psihoakustičkim kompenzacijama da bi dobili linearan odziv u prostoriji. Interesira nas da li je moguće realizirati dipolni izvor na klasičan način bez mnogo aktivne elektronike.

Već smo pokazali kako refleksije u prostoriji mogu djelovati vrlo štetno. Jedan od mogućih scenarija je i osciliranje zvučne energije između poda i stropa na vrlo niskim frekvencijama pri čemu dolazi do faznog poništavanja zvuka. Dipolni linijski izvor rješava ove probleme karakterističnom krivuljom usmjerenosti. Uslijed dipolne konfiguracije, cjelokupna energija zvučnika emitira se samo prema naprijed i prema nazad, a uslijed linijske postave zvuk se emitira praktički paralelno bez rasipanja i uz minimalne štetne refleksija od poda i stropa. Takav zvučnik ne može se postaviti u svaku, prostoriju. Prostorija mora biti velike zapremnine i zvučnik se mora postaviti dosta udaljen od stražnjeg zida. Napravimo li tako, konfiguracija će nam omogućiti brojne prednosti.

 

Zvučnički sustav temeljen na linijskom dipolnom izvoru najčešće se sastoji od dipolnog ribbon zvučnika postavljenog na ploči s radnim pojasom frekvencija od 200 Hz naviše. Ispod 200 Hz koriste se dipolni bas zvučnici u linijskom rasporedu (na slici gore, prikazani su bočno). Izvedba ribbon zvučnika stvara konstrukcijsku šupljinu koja geometrijskim oblikom izaziva rezonancije i kavitacije. Te pojave izazivaju nepravilnosti odziva koji se poništava kompenzacijama u skretnici. Impedancija vrpčastog zvučnika je konstantna i skoro čisto omska pa se sekcija s ribbonom vrlo lako pobuđuje. Iako ovaj zvučnik može funkcionirati i ispod 200 Hz, ovdje se to ne koristi jer uslijed dužine trake zvučnika nastaju rezonancije oko 140 Hz. Radna područja određena su aktivnom skretnicom koja ujedno realizira i neke kompenzacije. Osnovni problem s basovima je Q faktor primjenjenih zvučnika i Q faktor cjelokupnog sustava. Objasnit ćemo ovo malo detaljnije i obnoviti znanja o Q faktoru. Q faktor rezonancije je električni omjer reaktancije i omskog otpora, ili još jednostavnije, to je omjer fizikalnih mehanizama koji žele uskladištiti tj. zadržati energiju i onih koji je žele disipirati tj. potrošiti. Visoki Q faktor znači da je u rezonancijskom sustavu uskladištena vrlo velika količina energije, a mehanizmi koji je troše su vrlo slabi. Dakle, sustavi s visokim Q faktorom imaju rezonanciju koja se relativno sporo eliminira iz sustava. Niski Q faktor rezonancije guši vrlo brzo jer se energija brzo disipira i uklanja iz rezonancijskog sustava.

U principu, postoje dva primarna disipacijska mehanizma dinamičkog zvučnika. To su mehanički i električni. Istini za volju, trebamo napomenuti da postoje i akustični, ali su oni potpuno zanemarivi. Mehanički disipacijski mehanizmi su gubici trenja u ovjesu zvučnika i zanemariva akustička apsorpcija. Električni mehanizmi disipacije energije su istosmjerni otpor zavojnice i izlazna impedancija pojačala. Ovdje potpuno dominira impedancija zavojnice. Navedeni mehanizmi (mehanički i električni) određuju mehanički i električni Q faktor zvučnika. Njihova paralelna kombinacija, određuje ukupni Qts zvučnika.

Montiramo li zvučnik u kutiju ili na ploču, u igru ulazi i Q faktor kutije. Ukupni Q faktor zvučnika i kutije naći ćemo tako što ćemo pomnožiti Q faktor ploče ili kutije i Q faktor zvučnika. Zatvorene zvučničke kutije također imaju rezonancije i u praksi se koristi kutija s vrlo visokim Q faktorom, uz zvučnik vrlo niskog Q faktora, kako bi dobili zadovoljavajući Q faktor ukupnog sustava. Konstruiramo li dipolni linijski zvučnik, nastaje upravo suprotna situacija. Otvorena ploča, za razliku od kutije, uopće ne može uskladištiti (zadržati) energiju tj. njen Q faktor je vrlo nizak, recimo 0.1 - 0.2. Da bi postigli zadovoljavajući Q faktor sustava, potrebno je primjeniti zvučnike s relativno visokim Q faktorom, npr. oko 3-5 ili viši. Problem je što se takvi zvučnici više ne proizvode, jednostavno zato jer su zvučnici s vrlo visokim Q faktorom - loši, ali za ugradnju u kutiju. Dakle, potrebno je posebno konstruirati i napraviti zvučnike s visokim Q faktorom, a to se postiže vrlo jednostavno: ekstremno mekani spužvasti ovjes, lagana pairnata 30 cm membrana, veliki pomak membrane (linearno do 3 cm, a maksimalno do 5 cm), meki centrator i vrlo mali magnet - dakle, vrlo jeftin zvučnik. Pored toga, kako se linijski dipolni zvučnik ne može napraviti bez 3 - 6 basova ili više, ukupna impedancija pri paralelnom spajanju mora biti zadovoljavajuća, ali ne preniska, pa se impedancije zavojnica izvode od 16 ili više oma. Primjer je sustav Carver.

Snižavanjem reproducirane frekvencije i povećanjem valne dužine, u početku se sustav ponaša kao beskonačna ploča. Međutim, kada se valne dužine izjednače s 1/4 dimenzije ploče, dolazi do poništavanja prednjeg i stražnjeg vala. Val putuje od membrane oko ruba ploča (1/4) i natrag do stražnje strane membrane (+1/4), gdje dolazi točno u protufazi i poništava sam sebe. Četvrtvalno poništavanje je pojava prvog reda i slabi odziv dipolnog linijskog zvučnika nagibom od 6 dB po oktavi. Dosegnemo li rezonanciju bas zvučnika, ovom slabljenju od 6 dB, dodaje se još slabljenje od 12 dB po oktavi i ukupno slabljenje signala iznosi 18 dB po oktavi. Kako riješiti ovaj problem bez aktivne elektronike, kao u prethodnom slučaju? U literaturi je poznata familija krivulja odziva zvučnika u ovisnosti o Q faktoru sustava. Poveća li se Q faktor iznad 1, dolazi do nagiba od 6 dB po oktavi iznad rezonancije sustava. Ovo povećanje odziva možemo iskoristiti kako bi kompenzirali pad odziva dipolnog sustava od 6 dB/oktavi. Dakle, umjesto integracije operacionalnim pojačalom, kao u prethodnom slučaju, podešavanjem Q faktora sustava lineariziramo odziv sustava. Međutim, uvijek su potrebni bas zvučnici s vrlo velikim hodom membrane.

Ploča se može bočno saviti ili joj se mogu ugraditi "krila", kako bi se optički postigla njena manja prednja ploha. To ujedno snižava frekvenciju na kojoj dolazi do akustičkog poništavanja vala. Više zvučnika je potrebno iz razloga što je potrebno 4 puta (6dB) veća amplituda na otvorenoj ploči, na rezonanciji, nego u ekvivalentnoj potpuno zatvorenoj kutiji za realizaciju iste razine zvučnog tlaka. Posebni zvučnici primjenjeni u ovakvim sustavima mogu reproducirati donju graničnu frekvenciju od 17 Hz uz realizam glazbenih instrumenata, a bez koloracija inherentnih svim tipovima zvučničkih drvenih kutija.

Koja pojačala koristiti s dipolnim zvučnicima ?

Interesantan je podatak da se dipolni zvučnici ne mogu koristiti sa svakim pojačalom snage. Cilj visoko vjerne reprodukcije zvuka sadržano je u samom imenu: visoka vjernost. Ali vjernost čemu? U svakom slučaju trebalo bi biti riječi o vjernosti izvornoj akustičkoj izvedbi, ali originalna izvedba se baš i ne može u potpunosti sačuvati nakon intervencija snimatelja zvuka i tonskih tehničara. Cijevna pojačala redovito dodaju vlastitu boju tona koju mnogi slušatelji "obožavaju" i te karakteristike zvuka nazivaju "bogatstvo", "punoća" i "toplina". Koristite li takva pojačala, koja imaju utjecaj na reprodukciju zvuka, pri čemu ostavljaju vlastiti trag na reproduciranom glazbenom materijalu, očito je da ćemo se za još jedan korak udaljiti od visoke vjernosti. Međutim, to ne znači da nema dobrih cijevnih pojačala s izuzetnom transparencijom i malim izobličenjima. Isto tako, to ne znači da su tranzistorska pojačala automatski bolja od dobrih cijevnih pojačala. Neka tranzistorska pojačala poznata su po svojim vrlo visokim razinama izobličenja čiji karakter uopće nije poznat kod cijevnih pojačala. Projektiranje i konstrukcija tranzistorskog pojačala je mnogo teže, nego konstrukcija cijevnog. Projektant treba znati za inherentne nelinearnosti, frekvencijsku širinu pojasa, stabilnost, temperaturne promjene, strujne i naponske promjene pri radu, kompleksnu impedanciju tereta. Više puta smo ponovili kako sve to zahtijeva poznavanje komponenti, funkcioniranja sklopova, teorije povratne reakcije, stabilnosti rada sklopova, mjerenja i svih ostalih područja u mnogo većem opsegu, nego kod cijevnih pojačala. Odlučite li se ipak za cijevna pojačala, za početak izaberite pojačalo koje ima vrlo mala harmonijska izobličenja i što manju izlaznu impedanciju, a izbjegnite "hvaljene" modele s "punim", "toplim" i "bogatim" zvukom uz ekstremne razine izobličenja drugog harmonika i visokim izlaznim impedancijama. Možda je zanimljivo i da se vrlo dobri rezultati mogu postići i s Nationalovim LM3886 operacionim pojačalom snage.

Za kraj...

Možemo zaključiti da primjena dipolnih zvučnika omogućava takvu reprodukciju zvuka u prostoriji, pri kojoj je utjecaj prostorije na zvuk minimalan. Dipolni zvučnici, omogućavaju da u najboljem svjetlu čujemo elektrodinamički pretvarač, bez utjecaja kutije i koloracija koje ona unosi. Međutim, za realizaciju odziva vrlo visoke kakvoće, potrebno je integrirati odziv na niskim frekvencijama, kao i primjeniti vrlo sofisticirane filtere koji eliminiraju pogreške koje nastaju pri konstruiranju dipolnog zvučnika, uz primjenu posebnih dinamičkih zvučnika. Dipolni sustavi, realizirani dinamičkim zvučnicima, su jedno od najboljih rješenja u reprodukciji zvuka visoke vjernosti, koji omogućavaju kakvoću odziva elektrostatskih i magnetodinamičkih planara, ali moramo naglasiti da njihovim zvukom neće biti svi oduševljeni. Neki ljubitelji dobrog zvuka navikli su na koloracije koje unosi prostorija, zvučnička kutija ili nepravilno projektirana pojačala snage pa više i ne znaju ocijeniti što je visoka vjernost.

Dipolni zvučnik emitira prema naprijed zvučni val u fazi, a prema natrag u protufazi. Takav način rada stvara značajno smanjenje glasnoće na bočnim stranama zvučnika, što ima za posljedicu drastično smanjenje interakcije dipolnog zvučničkog sustava i prostorije jer velik broj refleksija u prostoriji uopće nema mogućnost nastajanja. Pored čistog dipolnog zvučnika , postoji i tzv. dipolni linijski izvor koji ne emitira zvuk iz točke, nego iz linije. Razlika čistog dipolnog i dipolnog linijskog izvora je ta što razina zvučnog tlaka opada za 3 dB pri svakom podvostručenju udaljenosti od izvora, dok se udaljenost od izvora ne izjednači s dimenzijama samog izvora zvuka. Nakon toga izvor slabi za 6 dB za svako podvostručenje udaljenosti. Međutim, kako se linijski izvor proteže od poda do stropa, slušatelj takvih zvučnika uvijek je u tzv. "bliskom polju" zvučnika u kojem direktni zvuk dominira nad reflektiranim zvukom. Dipolnom linijskom izvoru bočne nule dodatno potpomažu realizaciji vrlo jakog direktnog polja. Dipolni linijski izvor može pomoći pri postizanju vrhunskih rezultata u neidealnim prostorijama i neidealnom smještaju zvučnika. Takvim izvorima u radu prevladava direktno polje, bočne nule u odzivu rezultiraju zvukom koji je superioran točkastom izvoru, a dipolna konfiguracija omogućava i eliminiranje svih koloracija koje unosi kutija. Za kraj bi napomenuli kako u svim slučajevima konstrukcije, uvijek je neophodno primijeniti bas zvučnike s vrlo velikim hodom membrane, a tako konstruirani zvučnici imaju nešto viša intermodulacijska izobličenja. Dipoli imaju najbolji impulsni odziv jer im je elektromehanički odziv prvog reda. Prema Newtonovom drugom zakonu, po kojem je sila jednaka masi puta akcelercija, proizlazi da za veliku akceleraciju, trebamo imati veliku silu. U dipolnoj konfiguraciji to se postiže uporabom više bas zvučnika. Istovremeno potreba za zvučnikom sa velikim pomakom membrane, što znači velike nelinearnosti, također se smanjuje većim brojem zvučnika. Još bi naglasili kako se klasični programi za projektiranje akustike prostorija i rasporeda zvučnika ne mogu sa 100% točnošću koristiti za projekte s dipolnim zvučnicima.


Završna napomena za samograditelje

Principi dipolnog zvučnika i njegove prednosti poznati su dugi niz godina. Međutim, iz izloženog teksta vidljivo je ako dipolni zvučnik želimo realizirati dinamičkim zvučnikom, a ne elektrostatskim ili magnetodinamičkim planarom, potrebna je veoma sofisticirana elektronika sa skretnicom, integratorom, notch filterom i kompenzacijom subjektivnog osjeta. Zbog toga je u samogradnji preporučljivo realizirati dipolni zvučnik u frekvencijskim području u kojem se prednja ploha ponaša kao beskonačna ploča. Tada svi navedeni postupci kompenzacije nisu potrebni.

| Home Hr | Site Map Hr | English | Contact Us |