Electroacustica si sisteme audio Curs 6 1 6. Indicatii pentru alegerea componentelor Acest capitol urmareste prezentarea unor idei care pot ajuta utilizatorul in alegerea tipului de difuzoare, a tipului de incinta, si a altor particularitati constructive, pentru obtinerea unor traductoare sonore de inalta calitate. 6.1. Probleme intâlnite in proiectarea incintelor si difuzoarelor Câteva din problemele cu care se confrunta realizatorii incintelor in prezent sunt: a) Incintele stereofonice realizate cu doua difuzoare au ajuns la limita posibilitatilor lor in legatura cu producerea fronturilor acustice, producând imagini instabile ale surselor de sunet de mici dimensiuni ceea ce produce probleme in ascultare pentru multi oameni. Imaginea virtuala este instabila in legatura cu pozitia ascultatorului, distributia spectrala de energie si caracteristicile camerei. Chiar si o simpla imagine mono centrala sufera de anulari adânci intre 1kHz si 4kHz, acesta fiind motivul pentru care un solist vocal suna diferit daca provine de la un singur difuzor mono si doua difuzoare stereo conventionale. Se pare ca un sistem stereo cu doua canale necesita cel putin trei difuzoare in fiecare incinta pentru a reprezenta calitatea tonala a surselor centrale de sunet. b) Distorsiunile armonice, datorate intermodulatiei si transmodulatiei se combina cu rezonantele mecanice ale difuzorului si duc la concentrarea enegiei spectrale la anumite frecvente. Tehnicile de atenuare a difuzorului (prin reducerea excursiei conului) imbunatatesc caracteristicile spectrale (raspunsul in frecventa arata mai bine) dar nu se obtine o imbunatatire sensibila in ceea ce priveste modurile de taiere. Ca urmare distorsiunile inguste se intind pe un domeniu mult mai larg de frecvente, masurarea continutului de armonici al unui sistem fiind o problema mai complicata decât simpla determinare a THD. Un test complet care ar prezenta importanta practica ar fi cel care ar permite reprezentarea unei caracteristici THD(f), cu nivelul semnalului ca parametru. Eliminarea distorsiunilor rezonante ar presupune ca diafragma difuzorului sa aiba o densitate egala cu a aerului si o acceleratie uniforma pe intreaga suprafata la toate frecventele, ceea ce este imposibil de realizat tehnologic. Ca urmare orice difuzor va fi afectat de coloratii tonale, unele in permanenta, altele prezente doar la nivele joase, respectiv inalte ale semnalului electric. c) Energia rezonanta a undelor stationare este stocata in difuzoare, incinte si camera in care are loc ascultarea. Energia mecanica nedorita trebuie rapid eliminata pe doua cai: legaturi mecanice rigide, fara pierderi cu pamântul (o cale rigida difuzor-incinta-suport-podea-pamânt) si de asemenea prin absorbtie in materiale amorfe cu pierderi puternice (absorbante) ca nisip, plumb,
Transcript
Electroacustica si sisteme audio Curs 6
1
6. Indicatii pentru alegerea componentelor
Acest capitol urmareste prezentarea unor idei care pot ajuta utilizatorul in alegerea tipului
de difuzoare, a tipului de incinta, si a altor particularitati constructive, pentru obtinerea unor
traductoare sonore de inalta calitate.
6.1. Probleme intâlnite in proiectarea incintelor si difuzoarelor
Câteva din problemele cu care se confrunta realizatorii incintelor in prezent sunt:
a) Incintele stereofonice realizate cu doua difuzoare au ajuns la limita posibilitatilor lor in
legatura cu producerea fronturilor acustice, producând imagini instabile ale surselor de sunet de
mici dimensiuni ceea ce produce probleme in ascultare pentru multi oameni. Imaginea virtuala este
instabila in legatura cu pozitia ascultatorului, distributia spectrala de energie si caracteristicile
camerei.
Chiar si o simpla imagine mono centrala sufera de anulari adânci intre 1kHz si 4kHz,
acesta fiind motivul pentru care un solist vocal suna diferit daca provine de la un singur difuzor
mono si doua difuzoare stereo conventionale. Se pare ca un sistem stereo cu doua canale
necesita cel putin trei difuzoare in fiecare incinta pentru a reprezenta calitatea tonala a surselor
centrale de sunet.
b) Distorsiunile armonice, datorate intermodulatiei si transmodulatiei se combina cu
rezonantele mecanice ale difuzorului si duc la concentrarea enegiei spectrale la anumite frecvente.
Tehnicile de atenuare a difuzorului (prin reducerea excursiei conului) imbunatatesc caracteristicile
spectrale (raspunsul in frecventa arata mai bine) dar nu se obtine o imbunatatire sensibila in ceea
ce priveste modurile de taiere. Ca urmare distorsiunile inguste se intind pe un domeniu mult mai
larg de frecvente, masurarea continutului de armonici al unui sistem fiind o problema mai
complicata decât simpla determinare a THD. Un test complet care ar prezenta importanta practica
ar fi cel care ar permite reprezentarea unei caracteristici THD(f), cu nivelul semnalului ca
parametru. Eliminarea distorsiunilor rezonante ar presupune ca diafragma difuzorului sa aiba o
densitate egala cu a aerului si o acceleratie uniforma pe intreaga suprafata la toate frecventele,
ceea ce este imposibil de realizat tehnologic. Ca urmare orice difuzor va fi afectat de coloratii
tonale, unele in permanenta, altele prezente doar la nivele joase, respectiv inalte ale semnalului
electric.
c) Energia rezonanta a undelor stationare este stocata in difuzoare, incinte si camera in care
are loc ascultarea. Energia mecanica nedorita trebuie rapid eliminata pe doua cai: legaturi
mecanice rigide, fara pierderi cu pamântul (o cale rigida difuzor-incinta-suport-podea-pamânt) si de
asemenea prin absorbtie in materiale amorfe cu pierderi puternice (absorbante) ca nisip, plumb,
2
sorbotan. Energia care nu este absorbita este emisa incet prin fiecare parte mecanica a
difuzorului, fiecare aducându-si aportul la coloratura raspunsului final. In orice sistem real cu
difuzoare, indiferent de principiul de operare, exista sute de astfel de unde stationare, fiecare din
ele este emisa in exterior in dupa intârzieri cuprinse intre milisecunde si secunde. Aceste
rezonante inrautatesc structura muzicii si altereaza tonalitatea coloristica, distorsioneaza sau
ascund reverberatiile din inregistrarea originala, deformeaza si incetoseaza imaginea stereo.
d) Caracteristicile de directivitate se schimba puternic cu frecventa, schimbându-se prin salt la
punctele de separare intre cai la sistemele cu cai multiple. In plus caracteristica de directivitate
este deformata si difractia intâlnita la fiecare muchie ascutita a incintei (indiferent de tipul si
dimensiunea acesteia). Difractia creaza surse fantoma de sunet, intârziate si in antifaza, care se
combina cu sunetul direct. Aceste imagini secundare creaza un riplu semnificativ, de pâna la 6dB
in raspunsul la frecvente medii si creaza sunete intârziate care interfera cu defazarile temporale
necesare pentru perceperea imaginilor stereo.
Inafara de problemele aparute la realizarea incintelor, difuzoarele contribuie de asemenea
cu unele neliniaritati, care se incearca a se elimina prin utilizarea unor materiale noi sau prin
proiectare. Constructorii de difuzoare trebuie sa realizeze un compromis intre uniformitatea
miscarii (rigiditate) si lipsa rezonantelor mecanice la frecvente medii si inalte (autoatenuare). La
acest compromis major cu care se confrunta constructorii, se mai adauga problemele generate de
rezonanta cavitatilor si neliniaritatile magnetice.
e) Miscarea uniforma
Rigiditatea inseamna ca acceleratiile bobinei mobile sunt transmise precis membranei pe
intreaga suprafata. Aceasta se va traduce prin raspuns plat in frecventa din punctul de vedere al
utilizatorului, timp de crestere mic, distorsiuni de intermodulatie mici si o buna calitate a
semnalului.
Acest lucru ar induce ideea realizarii membranei dintr-un material cât mai rigid, de exemplu
din metal, bronz de exemplu. Problemele ridicate de o astfel de realizare sunt evidente. Un clopot
de bronz vibreaza foarte mult timp dupa ce este lovit, deoarece singura posibilitate de eliberare a
energiei mecanice este inspre aer, iar cum densitatile bronzului si aerului sunt foarte diferite rezulta
un cuplaj redus ceea ce duce la o atenuare foarte redusa prin radiatia in aer. Acest lucru va duce
la o alta caracteristica ce trebuie urmarita in realizarea unui difuzor.
f) Auto-atenuarea
Este de dorit si ca bobina mobila sa opreasca membrana in absenta semnalului audio. Din
nefericire, materialele cele mai rigide (de obicei metale) au atenuare proprie redusa ceea ce duce
la vibratii de lunga durata (factor de calitate crescut). O modalitate de a depasi aceasta problema
este de a extinde o portiune de cauciuc dur peste o portiune de membrana si prin imbunatatirea
atenuarii la nivelul suspensiilor (interna si externa).
Electroacustica si sisteme audio Curs 6
3
In prezent chiar si cele mai bune realizari cu Kevlar, fibra de carbon sau aluminiu au cel
putin o supracrestere cu factor de calitate mare in mijlocul domeniului de lucru, necesitând retele
separatoare cu panta cât mai abrupta sau un filtru de rejectie sau ambele pentru a controla
aceasta crestere. Din nefericire aceasta supracrestere apare de obicei in regiunea 3 5kHz, adica
exact unde urechea este cea mai sensibila la coloratura rezonanta.
Aceasta problema apare pregnant in cazul sistemelor cu doua difuzoare (vezi punctul a).
Daca se micsoreaza frecventa de separare a filtrelor, distorsiunile de intermodulatie ale difuzorului
de inalte cresc puternic rezultând in frecvente inalte distorsionate la nivele de semnal medii-inalte.
Daca se mareste frecventa de separare apare caderea datorata difuzorului de joase (Kevlar),
rezultând un sunet agresiv la nivele medii ale semnalului si cadere totala la nivele inalte. Spre
deosebire de difuzoarele cu membrana de hârtie cele cu membrana de Kevlar, metal si fibra de
carbon nu au o cadere graduala la frecvente inalte.
O rezolvare a acestei probleme este realizarea membranei din materiale cu pierderi mari,
cum ar fi hârtia intarita cu plastic, material inlocuit insa in majoritatea difuzoarelor moderne de
polipropilena. Membrana se auto-atenueaza, pierzând progresiv energie pe masura ce impulsul se
deplaseaza de la bobina mobila spre marginile membranei. Proiectarea suspensiilor este mai
putin importanta si un astfel de sistem duce la obtinerea unui raspuns in general plat in banda si
permite utilizarea unui filtru de separare cu o panta de 6dB/octava. Acest tip de membrana nu
duce insa la obtinerea unor auditii bune (chiar daca instrumentele arata in general caracteristici
foarte bune) si de aceea producatorii adauga siliciu, talc sau pilitura metalica in materialul plastic,
astfel imbunatatindu-se semnificativ rigiditatea fara a pierde din capacitatile de atenuare ale
polipropilenei.
g) Rezonanta cavitatilor
Desi nu pare periculoasa, bolta cu rol de protectie impotriva prafului (vezi fig. 1.1)
realizeaza impreuna cu piesa polara a magnetului o mica cavitate rezonanta care din pacate
rezoneaza pe frecvente cuprinse in benzile de trecere ale difuzoarelor de medii si inalte.
Producatorii difuzoarelor moderne incearca sa rezolve aceasta problema in doua moduri:
realizarea unor piese polare cu o deschidere pentru magnet (Dynaudio, Scan-Speak, Vifa, Seas)
sau realizarea unei extensii in forma de calota sferica pentru piesa polara a magnetului, inlocuind
total bolta de protectie.
h) Neliniaritati magnetice
Aceasta problema este generata de faptul ca bobina mobila reprezinta o inductanta cu
miez feromagnetic ceea ce face ca valoarea inductantei sa depinda de frecventa. In plus
inductanta depinde de pozitia bobinei mobile in raport cu piesa polara, ceea ce va determina
excursia maxima permisa pentru o comportare liniara.
4
Variatia inductantei are o importanta deosebita deoarece inductanta este un factor ce
determina frecventa superioara a difuzorului. La nivele mari de frecvente joase apare deplasarea
bobinei inafara regiunii liniare a excursiei, ceea ce va produce distorsiuni de intermodulatie si
modulatie in frecventa a semnalului sonor in tot spectrul audio. Aceasta este o problema obisnuita
a incintelor cu 2 difuzoare sau cu 3 difuzoare care au o frecventa de separare joasa-medie de
valoare scazuta. Practic, de fiecare data când se poate vedea miscarea difuzoarelor se poate
astepta o valoare crescuta a distorsiunilor amintite, cu efect sonor de scadere a rezolutiei,
problema ce poate fi mascata de probleme in amplificatorul de putere (ca saturarea
transformatorului de iesire sau surse de alimentare inadecvate).
Solutia pentru aceasta problema o reprezinta metalizarea cu cupru a piesei polare a
magnetului pentru scurtcircuitarea curentilor turbionari indusi in structura magnetica de bobina
mobila. Aplicarea acestei metode poate fi detectata prin analizarea valorii de catalog a inductantei
bobinei mobile. Difuzoarele de joase cu inductanta mica a bobinei mobile (tipic 0,1mH) vor avea
sunet mai transparent decât cele caracterizate de inductanta crescuta (0,9mH) in conditiile in
care trebuie sa redea simultan frecvente joase si medii.
Valoarea inductantei bobinei mobile este importanta si dintr-un al doilea motiv. Frecventa
de taiere acustica la inalte a unui difuzor este data de combinatia intre caderea mecanica si
caderea datorata inductantei bobinei. Se poate calcula frecventa de taiere electrica cunoscând
inductanta bobinei si rezistenta de curent continuu a difuzorului:
e
eH L
R
Se compara apoi aceasta frecventa cu frecventa de taiere acustica la inalte masurata sau
declarata de fabricant in specificatiile tehnice ale difuzorului. Difuzoarele de calitate vor avea
frecventa de taiere electrica deasupra celei acustice ceea ce arata ca cele doua mecanisme de
taiere, mecanic si electric nu interactioneaza prea puternic.
Exista insa difuzoare care au frecventa de taiere electrica sub cea de taiere acustica. Acest
lucru va arata ca sistemul mecanic al difuzorului are o crestere care este mascata de caderea
datorata inductantei electrice a bobinei. In cazul in care apare o modificare fie in sistemul electric,
fie in cel mecanic, rezultatul se va observa puternic prin modularea frecventelor si a raspunsului
tranzitoriu.
Electroacustica si sisteme audio Curs 6
5
6.2. Materiale utilizate la realizarea membranei
a) Membrana de hârtie
Este primul material utilizat pentru realizarea membranelor, dar este inca folosit datorita
proprietatilor sale bune. Acest material este de fapt o structura compozita si isi schimba
semnificativ proprietatile când este impregnata cu diferite materiale plastice (mateialul utilizat
pentru impregnare este invariabil un secret de fabricatie a fiecarui producator). Impregnarea este
importanta deoarece hârtia este afectata de modificari importante in timp sau la modificarea
umiditatii, si de asemenea, prin acest procedeu se stabilizeaza materialul si se imbunatateste auto-
atenuarea.
Avantajele sunt: auto-atenuare intre buna si excelenta, rezolutie si detaliu excelente,
raspuns in frecventa foarte plat, taiere la frecvente inalte graduala deci se poate utiliza fara prea
mari probleme cu filtre de separare de panta joasa, egalizarea intre game putând fi facuta cu mai
mica precizie. In general hârtia este un material care suna mai bine decât se obtine la
masuratori, ceea ce este un avantaj major.
Dezavantaje: nu este la fel de rigid ca Kevlar-ul, fibra de carbon sau metalele deci nu va
avea precizia detaliului a acestora din urma. Eficacitatea sa va fi mai redusa. in general. Hârtia nu
este la fel de consistenta ca materialele sintetice ceea ce va duce la dificultati de imperechere a
doua difuzoare, ceea ce poate afecta imagina spatiala a surselor de sunet insa acest lucru va
depinde de precizia si calitatea procesului tehnologic. De asemenea, chiar in prezenta impregnarii
proprietatile se pot modifica in timp.
b) Membrana de bextene
Este un material din plastic acetat obtinut din celuloza, intotdeauna fiind impregnat cu un
material atenuator pentru a controla prima rezonanta puternica ce apare la aproximativ 1,5kHz.
Avantajele sunt: Consistent (parametrii sunt reproductibili), imagine spatiala buna, rezolutie
mai mare decât a altor difuzoare.
Dezavantaje: Eficienta foarte mica (85 dB/1W/1m) necesita un filtru de rejectie puternic
pentru aplatizarea benzii, numeroase rezonante la limita superioara a benzii de lucru, taiere la
nivele de semnal nu foarte mari cu efect neplacut, coloratie deranjanta.
Producatorii moderni de incinte considera aceste difuzoare depasite nefiind pregatiti sa
investeasca in fitrarea si egalizarea complexe necesare pentru a face difuzoare acceptabile.
c) Difuzoare de inalte cu calota elastica
Aceste difuzoare la care membrana are forma unei calote sferice au intrat in productie in
anii 70 dar au fostinlocuite la aparitia difuzoarelor de inalte cu calota de aluminiu si titan. In ultimul
timp aceste difuzoare si-au facut o intorcere spectaculoasa, concurând la egalitate cu difuzoarele
de inalte cu calota metalica. Noile produse combina o incarcare sofisticata prin linie de transmisie
6
in partea din spate cu noi forme ale calotelor si noi materiale. Ca rezultat, aceste difuzoare au
rezolutia si detaliul celor mai bune calote metalice, fara a prezenta insa rezonantele caracteristice
ale acestora intre 22kHz si 27kHz.
Avantaje: Auto-atenuare intrinseca, potential de obtinere a unui raspuns extrem de plat in
frecventa, si un raspuns excelent la impuls. Au posibilitatea obtinerii unui sunet natural, deschis
fara rezonantele obositoare.
Dezavantaje: Vechea clasa de difuzoare cu calota elastica aveau o calitate slaba a
sunetului. Multe aveau o putere limita relativ scazuta si aveau nevoie de filtre de separare de ordin
mare (18dB/octava) pentru a minimiza distorsiunile de intermodulatie. Calota cu profil inalt,
necesara pentru obtinerea unei rigiditati suficiente, avea o dispersie de inalta frecventa mai mica
decât calotele metalice, care au profile mai plate. Noile difuzoare cu calota elastica nu au aceste
probleme, exceptând dispersia de inalta frecventa.
d) Difuzoare de medii cu calota elastica
Fostele difuzoare din aceasta clasa nu au reusit sa se impuna. Desi raspunsul masurat era
plat, dar toate emiteau un sunet opac, obositor, colorat ciudat si bidimensional. In plus banda era
restrânsa la 800Hz-3200Hz datorita exursiei maxime liniare de numai 1-2mm. In plus calotra era
prea moale pentru a putea vehicula puterile necesare in banda frecventelor medii.
Avantaje: nu au.
Dezavantaje: Distorsiuni mari, sunet obositor. Necesita filtre de separare cu panta abrupta
la ambele capete ale benzii si un filtru de rejectie ascutit pentru a anula primul (si cel mai puternic)
mod de taiere de inalta frecventa.
Noua clasa de difuzoare de medii este realizata din difuzoare cu membrana conica de
mare precizie, având insa o bolta de dimensiuni mai mari care joaca rolul unei calote la frecvente
inalte. Aceste difuzoare au excursia liniara mult mai mare, distorsiunile mult mai mici si raspuns in
frecventa mult mai larg decât vechile difuzoare cu calota elastica. Ele sunt descrise mai pe larg in
alte puncte fiind caracterizate de membrana conica ce poate fi Kevlar, hârtie sau polipropilena.
e) Membrana de polipropilena
Acest material a fost introdus pentru a inlocui Bextene-ul. Deoarece este in mod intrinsec
auto-atenuator un difuzor cu membrana de polipropilena poate avea un raaspuns constant in
frecventa in intreaga banda de lucru fara a necesita egalizare. Acest material a devenit aproape
universal deoarece necesita un minim de tratare manuala pentru a realiza o incinta. Singura
problema tehnologica a fost gasirea unui adeziv care sa lucreze in contact cu polipropilena.
Avantaje: Raspuns foarte plat la o proiectare atenta, coloratie foarte joasa, raspuns bun la
impuls, filtrele de separatie pot fi foarte simple (de exemplu un singur condensator pentru
protejarea difuzorului de inalte), eficienta buna si cadere lenta datorata membranei. Cele mai bune
Electroacustica si sisteme audio Curs 6
7
exemple din aceasta clasa pot fi la fel de transparente ca cele mai bune difuzoare cu membrana
de hârtie, ceea ce este un standard excelent.
Dezavantaje: Nu este transparent la nivelul difuzoarelor cu membrana rigida sau a celor
electrostatice. Unele difuzoare de medii din aceasta clasa nu se imperecheaza prea bine cu
difuzoarele de inalte cu calota metalica, diferentele de rezolutie ce apar putând fi audibile pentru
un ascultatoratent. Difuzoarele de joase mai mari de 10 se obtin mai greu in aceasta clasa daca
polipropilena nu este suficient de groasa si intarita cu un alt material mai rigid. Difuzoarele de joase
de dimensiuni mari se realizeaza mai bine din hârtie intarita sau fibra de carbon.
f) Difuzoare de inalte cu calota metalica
Utilizarea acestui material a fost facuta posibila de descoperirile din metalurgia germana,
ce au permis obtinerea unor profile subtiri din titan sau aluminiu.
Acest tip de difuzor poate oferi un sunet foarte transparent, rivalizând cu cele mai bune
difuzoare electrostatice. Pretul platit este o lipsa a auto-atenuarii, aluminiul comportându-se mai
bine decât titanul in regiunea ultrasonica. In prezent toate difuzoarele cu calota metalica au cresteri
ultrasonore semnificative intre 3dB si 12dB.
Avantaje: Actiune uniforma a pistonului pâna in domeniul rezonantei de inalta frecventa,
ducând la sunet de foarte buna rezolutie, transparenta si raspuns bun la impuls daca este bine
proiectat. Dispersia este excelenta deoarece calotele metalice au profil mai plat decât calotele
elastice.
Dezavantaje: Potentiale coloraturi metalice ale sunetului, cauzate de intermodulatia dintre
rezonanta de la inalta frecventa si sunetele din banda. Unele modele mai vechi au putere
vehiculata redusa, iar daca sunt supra-solicitate semnificativ, distorsiunile de taiere apar in
intreaga banda de frecventa.
g) Difuzoare cu membrana rigida
Cele mai raspândite materiale utlizate sunt:
g1) Aluminiul
A fost primul material utilizat pentru membrane conice rigide. Datorita pretului mare si a
eficientei relativ reduse nu s-au impus pe piata fiind detronate de celelalte difuzoare cu membrana
rigida.
g2) Spuma expandata
Al doilea material rigid utilizat era caracterizat de eficienta foarte mica, putere vehiculata
limitata si rezonante cu factor de calitate ridicat in mijlocul benzii.
g3) Fibra de carbon
Aceste difuzoare au fost introduse de producatorii japonezi in anii 80 insa in prezent se
produc si in Europa fiind astfel accesibile si pe pietele europeana si americana.
8
Aceste difuzoare au o adevarata actiune de tip piston, raspunsuri la joase si inalte
remarcabile, dar si moduri de taiere haotice la limita superioara a benzii lor de frecventa a caror
anulare necesita un filtru de separare cu panta abrupta impreuna cu unul sau doua filtre de
rejectie. Astfel desi necesita separare foarte complicata, aceste difuzoare au o calitate deosebita,
fiind cele mai apropiate de conceptul de radiator direct.
g4) Kevlar
Difuzoarele cu membrana de Kevlar si au facut aparitia la mijlocul anilor 80, atenuare
superioara putând fi obtinuta prin introducerea unei structuri de tip fagure intre doua straturi de
Kevlar. Difuzoarele de Kevlar au fost analizate la punctul 6.1., amintim prezenta unui
comportament haotic in regiunea de taiere.
In ultimul timp producatorii au reusit rezolvarea acestei probleme, ceea ce produce o
imbunatatire esentiala in netezimea benzii si transparenta.
g5) Materiale compozite
De curând a aparut o noua tehnologie bazata pe un material numit HD-A, un gel acrilic
continând un amestec controlat si ordonat de fibra de carbon si fibra de Kevlar. Primele masuratori
la producator arata o remarcabila comportare tip piston combinata cu rezonante minime la inalta
frecventa si taiere cu panta lina dupa acel punct.
De asemenea se poate aminti o noua tehnologie ruseasca de placare cu diamant evaporat.
Costul este scazut (atât de scazut incât se placheaza dischetele de calculator). Aceasta tehnologie
ar putea in curând sa-si faca aparitie si pe piata producatorilor de difuzoare.
Avantajele difuzoarelor cu membrana rigida: Cea mai buna transparenta, adâncime si
reprezentare a imaginilor sonore, egalând sau depasind-o pe a difuzoarelor electrostatice la
proiectare corecta. Cele mai bune difuzoare de acest tip au eficienta mare, nivele de semnal
primite mari, distorsiuni de intermodulatie foarte reduse. Aceste difuzoare sunt asteptate sa
evolueze in continuare prin avansari in tehnologia materialelor.
Dezavantaje: Modelele mai vechi au rezonante suparatoare la limita superioara a benzii de
lucru, si absolut toate au o regiune de taiere haotica dupa rezonantele de la inalta frecventa. Orice
incinta care nu combina difuzoarele de Kevlar sau fibra de carbon cu filtre de rejectie corect
proiectate nu poate fi considerata de calitate deoarece vârful inalt de la inalta frecventa nu se
poate corecta cu un filtru trece jos, rezultatul unei astfel de abordari fiind evident pentru un
ascultator atent. Desi aceste difuzoare pot reproduce nivele mari de semnal, apare o cadere
brusca la depasirea gamei dinamice, rezultând un efect neasteptat si neplacut.
Unele difuzoare cu Kevlar si fibra de carbon necesita o perioada destul de lunga (>100 ore)
de pre-auditie pentru a inmuia fibrele din membrana si suspensia interna ceea ce nu este
caracteristic pentru o calitate prea buna deoarece indica o instabilitate mecanica la folosire
indelungata.
Electroacustica si sisteme audio Curs 6
9
6.3. Strategii moderne de realizare a incintelor
Proiectarea unei incinte este de fapt o problema de optimizare prin realizarea unor
compromisuri intre diferitele caracteristici dorite. Deoarece toate difuzoarele prezinta probleme intr-
o directie sau alta, ramâne la latitudinea proiectantului alegerea caracteristilor care prezinta
importanta. De asemenea, tinând cont de faptul ca utilizatorul final are toate particularitatile
ascultatorului uman (orice om este departe de ascultatorul mediu pe care il intâlnim in diferitele
standarde sau curbe) nu exista metode corecte sau gresite de proiectare a unei incinte.
Proiectantul trebuie sa cunoasca cât mai multe metode, urmând ca prin experimente (auditii) sa
determine structura optima din punctul sau de vedere sau al utilizatorului pentru care se realizeaza
proiectarea.
In prezent exista câteva directii in care proiectantii urmaresc un anumit optim, principalele
caracteristici avute in vedere fiind: raspuns plat in frecventa, acumulare de energie minima,
minimizarea distorsiunilor de intermodulatie sau modulatie in frecventa, minimizarea difractiei sau
calitati subiective ale sunetului obtinut.
a) Difuzoare electrodinamice si coerenta pulsurilor (imagine tridimensionala)
Proiectarea urmareste controlarea difractia, imperecherii difuzoarelor pentru obtinerea
intârzierilor coerente, in scopul obtinerii unei calitati deosebite a imaginii spatiale a surselor de
sunet. Aceste proiecte sunt singurele bazate pe difuzoarele electronimaice care ofera o
reproductie exacta a impulsurilor, uneori mai buna decât a difuzoarelor electrostatice.
Filtrele de separatie sunt de obicei de ordinul 1 (6dB/octava), mai rar de ordinul 3
(18dB/octava) sau 4 (24dB/octava).
Intr-o proiectare tipica ce urmareste coerenta pulsurilor, difuzoarele trebuie controlate cu
precizie 2 sau mai multe octave inafara benzii de lucru normale, ca urmare sunt sacrificate
capacitatea de a lucra la puteri mari si continutul redus de distorsiuni de intermodulatie.
Controlarea caracteristicii de directivitate si a neimperecherii difuzoarelor este dificila, necesitând
difuzoare de calitate, din aceasta cauza pretul rezultat al unui astfel de proiect este in general
mare.
b) Difuzoare electrodinamice si raspuns plat in frecventa (proiectare obiectiva)
Incintele proiectate in acest mod au un raspuns foarte plat in frecventa, accentul punându-
se fie pe aplatizarea raspunsului pe axa difuzorului (la 1-2m) fie pe o medie a raspunsului pe o
emisfera in fata difuzorului. De asemenea o importanta deosebita se acorda identificarii si eliminarii
rezonantelor proprii ale cutiei incintei, deoarece acestea sunt audibile chiar daca au un nivel cu
20dB mai mic decât raspunsul la semnal.
10
De obicei filtrele de separare sunt Butterworth de ordinul 3 si Linkwitz-Riley de ordinul 4
ceea ce ofera cea mai plata si precisa curba de raspuns in frecventa, pretul platit fiind
distorsionarea pulsurilor si supracresteri mai mari.
Adeptii acestei metode de proiectare pun un accent destul de puternic pe o mare calitate
mecanica a legaturii mecanice cu pamântul rezultând suporturi de forma exotica pentru incinte. La
proiectare in centrul atentiei se afla aplatizarea raspunsului, imbunatatirea calitatii difuzoarelor,
controlul rezonantei cutiei, imperechere intre difuzoare, ignorându-se in schimb raspunsul la
impuls, controlul difractiei si parametri subiectivi cum ar fi calitatea bobinelor, condensatoarelor si a
cablurilor de legatura.
c) Difuzoare electrodinamice cu control minimal (proiectare subiectiva)
In cadrul acestei metode filtrele de separare sunt cât mai simple, uneori sunt reduse la un
singur condensator pentru protectia difuzorului de inalte.
Componentele (difuzoare si filtre) sunt de cea mai mare calitate si sunt combinate cu
cabluri si materiale pentru realizarea cutiei deosebite. Deoarece rezonantele difuzzoarelor sunt
lasate necorectate si se accepta aberatiile raspunsului in frecventa si la raspuns introduse de
filtrarea minimala, performantele pot depinde destul de puternic de celelalte componente ale
lantului audio.
Astfel de incinte rezulta cu un sunet colorat intr-o oarecare masura, dar cu un sunet
dinamic si interesant.
d) Difuzoare electrodinamice de mare eficienta sau cu pâlnie
Aceste sisteme se intâlnesc de obicei la producatorii japonezi. Pâlniile au de obicei
distorsiuni armonice totale (THD), distorsiuni de intermodulatie si modulatie in frecventa foarte
mici, raspuns in frecventa relativ plat, pante de cadere abrupte la ambele capete ale benzii de
frecventa, care este relativ ingusta. Aproape toate sistemele cu difuzoare cu pâlnie duc la rezultate
optime la utilizarea impreuna cu amplificatoare cu tuburi de putere redusa.
Problemele legate de raspunsul la impuls, difractie si dispersie lina au facut ca majoritatea
proiectantilor vestici sa evite difuzoarele cu pâlnie. Noile cercetari in domeniul pâlniilor au facut sa
renasca interesul pentru aceste difuzoare, aparând o noua generatie de pâlnii, dupa unele pareri
superioare celor electrostatice.
e) Difuzoare electrostatice planare
Cele mai bune difuzoare electrostatice ofera cea mai liniara si uniforma miscare a
diafragmei dintre toate tipurile de difuzoare. De asemenea au distorsiuni de intermodulatie reduse
si potential pentru un raspuns foarte bun la impuls.
Dezavantajele acestor difuzoare ar fi o eficienta foarte scazuta (data de curbarea câmpului
electric determinat de inalta tensiune), impedanta foarte reactiva vazuta de amplificator, gama
dinamica redusa, fragilitate, bas limitat si caracteristica de directivitate dependenta de incapere si
Electroacustica si sisteme audio Curs 6
11
care devine directiva la inalta frecventa. Majoritatea difuzoarelor electrostatice au rezonante
moderate sub 200Hz si rezonante multiple, ascutite peste 8kHz (datorita undelor stationare dintre
armaturile de inalta tensiune).
Difuzoarele electrostatice au o reprezentare a mediilor si o adâncime a perspectivei
minunate, raspuns in frecventa bun fara a fi excelent, imagine spatiala rezonabil buna, si gama
dinamica limitata.
f) Benzi si plane electromagnetice
Benzile electromagnetice contin o bobina mobila din aluminiu foarte ingusta aflata in
câmp magnetic. Planele magnetice sunt placi dintr-o pelicula intinda de Mylar sau Kapton pe care
bobina mobila este lipita sau depusa.
Difuzoarele electrodinamice au un cuplaj magnetic crescut (BL mare) ceea ce le induce un
cuplaj puternic amplificator-difuzor din aceasta cauza fiind sensibile la pierderile in amplificator si
pe cablurile de legatura.
Planele magnetice au un cuplaj magnetic relativ scazut (BL scazut) atenuarea fiind datorata
in primul rând peliculei si impedantei de radiatie, si mai putin amplificatorului. Neexistând arcuirea
câmpului electric de inalta tensiune, gama dinamica este mai mare decât a difuzoarelor
electrostatice dar eficienta si impedanta sunt mai mici decât la difuzoarele electrodinamice.
Incercarea cresterii lor prin cresterea lungimii firului de aluminiu depus pe pelicula duce la
degradarea raspunsului la impuls.
Benzile electromagnetice sunt lipsite de rezonantele peliculei intinse si ofera raspuns la
impuls remarcabil, miscare liniara si o buna aproximare a sursei de sunet, insa si eficienta si
impedanta sunt extrem de scazute si nu sunt utilizabile ca difuzoare de joase datorita ariei reduse.
Majoritatea realizarilor practice de benzi electromagnetice utilizeaza un transformator coborâtor
sau au nevoie de amplificatoare capabile de a controla sarcini de 0,5 .
Difuzoarele bazate pe aceste principii de functionare se situeaza ca performante intre cele
ale difuzoarelor electrodinamice si electrostatice. In plus benzile electromagnetice ofera
posibilitatea obtinerii unora din cele mai bune frecvente inalte, fiind din acest punct de vedere
superioare difuzoarelor electrodinamice si electrostatice si depasite doar de difuzoarele fara masa.
g) Difuzoare fara masa
Astfel de difuzoare nu prezinta rezonante de nici un fel, au distorsiuni reduse, de ordinul de
marime al amplificatoarelor, raspuns foarte precis la impuls si foerte bun in frecventa (pâna la
100kHz sau mai mult).
Principiul de functionare este diferit ceea ce le face sa fie numite difuzoare exotice.
Amplificatorul de putere alimenteaza niste tuburi cu tensiune inalta ceoduleaza direct un gaz
conductor. Ca urmare diafragma are masa dar este aceeasi ca si aerul cuplajul fiind deci de 1:1.
12
In practica apare o problema legata de ionizrea aerului este obtinerea ozonului ceea ce
este interzis din motive medicale. O rezolvare este data de ionizarea unui alt gaz, ceea ce implica
complicatii practice (o astfel de realizare se baza pe ionizarea heliului, necesitând in schimb
periodic improspatarea rezervei de gaz stocata intr-un rezervor).
In concluzie, acest tip de difuzoare este lipsit de aplicatii practice in acest moment insa
sunetul exceptional la frecvente inalte l-ar putea face un concurent serios pe piata difuzoarelor de
inalte la rezolvarea problemelor tehnologice pe care le are.
6.4. Tipuri de incinte
Vom mentiona in continuare principalele tipuri de incinte utilizate pentru montarea
difuzoarelor.
Alegerea tipului de incinta depinde de nivelul dorit pentru factorul de calitate total al
sistemului. Acest factor de calitate nu poate fi mai mic decât cel al difuzorului introdus in incinta.
Vom prezenta in continuare efectul pe care factorul de calitate al sistemului il are asupra
calitatii sunetului obtinut de la aceasta incinta (vezi figura 2.4.):
Qt Supracrestere Caracteristicile sunetului si ale incintelor
0.5 0 dB Atenuare critica, putere acustica mica, frecvente foarte joase puternice, frecvente joase-medii oarecum reduse, incinta imensa
0.577 0 dB Atenuare optima, putere acustica mica, cel mai bun raspuns la impuls, incinta imensa
0.707 0 dB Considerat de obicei compromisul optim, raspuns la impul excelent, raspuns la frecvente joase si putere mai mici, cel mai plat raspuns sub f(-3dB), incinte relativ mari
0.85 0.69 dB Compromis bun daca optimul ofera o incinta prea mare, performanta in general foarte buna, raspuns tranzitoriu
rezonabil, basi foarte putin accentuat, raspuns bun la frecvente foarte joase, incinta de dimensiuni medii
1.0 1.25 dB Incinta mult mai mica, raspuns la impuls si frecvente foarte joase suficient, supracrestere mai mare, incinte medii mai mici
1.1 1.83 dB Putere acustica maxima, supracrestere la joase-medii crescuta, sunet bubuitor , incinte mici.
1.3 3 dB Putere acustica maxima, sunet bubuitor (mai ales la difuzoare cu fs si Qts
mari), raspuns la impuls si la frecvente foarte joase compromis, incinte foarte mici
2.0 6 dB Putere acustica maxima, raspuns slab la impuls si la frecvente foarte joase, sunet bubuitor si murdar , cea mai mica incinta
Este bine in general sa se tina seama de indicatiile producatorului difuzorului in ceea ce
priveste alegerea incintei potrivite.
Electroacustica si sisteme audio Curs 6
13
6.4.1. Ecran
Este cea mai simpla forma de incinta. Ecranele trebuie sa fie suficient de largi pentru a
preveni anularea undei directe si a celei indirecte. Deoarece o unda cu frecventa de 100Hz are
lungimea de unda mai mare de 3m, se poate vedea ca o buna redare a frecventelor joase necesita
dimensiuni mari. Uneori se foloseste egalizare activa sau pasiva pentru a ridica nivelul basilor.
Avantaje:
Lipsa rezonantelor incintei.
Relativ usor de construit
Dezavantaje
Dimensiuni mari
Filtrare pasiva sau activa pentru extensia frecventelor joase
Eficacitate redusa datorita anularii survenite intre unda directa si cea
inversa
Plasamentul in camera este extrem de important
6.4.2. Ecran infinit
Eliminarea completa a anularii intre unda directa si ce indirecta se poate
facein cazul in care dimnsiunile ecranului sun foarte mari. Toate proiectarile de incinte urmaresc sa
se obtina o comportare de tip ecran infinit, deoarece un difuzor astfel plasat isi va pastra
proprietatile (fs si Qts) si dupa montarea in incinta. Acest lucru se poate obtine doar daca volumul
incintei este mai mare decât volumul de aer echivalent Vas. Un bun difuzor de joase cu Vas=300 l va
necesita o incinta foarte mare pentru a obtine o comportare de tip ecran infinit. Proiectarile de tip
ecran infinit sunt practice doar in masura in care exista in incaperi spatii largi care pot fi utilizate
(pod, camara).
Avantaje:
Pot reproduce foarte precis frecventele joase si foarte joase
Proiectare simpla
Pot utiliza spatiile neutilizate
Dezavantaje:
Trebuie sa fie foarte solid
Pot aparea scurgeri sonore de frecvente joase in alte incaperi sau in exterior
Nu poate fi mutata
Necesita difuzoare cu aria membranei (Sd) mare si excursie maxima (Xmax) mare pentru putere
de iesire mare.
Figura 6.1.
14
6.4.3. Incinta inchisa
Aceasta incinta este cunoscuta si ca sistem de suspensie acustica. Masa de aer din incinta
se comporta ca un sprijin pentru difuzor. Cu cât incinta este mai mica, cu atât creste factorul de
calitate al sistemului.
Avantaje:
usor de proiectat si construit
Sunet foarte precis posibil
Factorul de calitate al sistemului poate fi ales in functie de scop
Toleranta buna la dimensiuni, mici erori neafectând
performantele
Dezavantaje:
Nivel de putere mai mic decat la incintele cu deschidere
Limita inferioara a benzii mai ridicata
Destul de dificil de gasit difuzoare potrivite pentru acest tip de incinta (incinta inchisa necesita
difuzoare cu Xmax mare)
6.4.4. Incinta aperiodica
Incinta aperiodica este o incinta inchisa care incearca sa elibereze presiunea generata in
interior.
La primirea unui impul de semnal, difuzorul de joase isi
deplaseaza membrana, producând presiune crescuta si turbulente
in incinta. Acest lucru poate crea o incetosare a raspunsului la
impuls, mai ales la incintele mici cu factor de calitate mare.
Incintele aperiodice utilizeaza de obicei gauri in spatele
incintei umplute cu materiale absorbante prmitând eliminarea unei
parti din presiunea interioara. Este o metoda de a face acceptabile
incintele de dimensiuni mici.
6.4.5. Incinta cu deschidere
Incintele cu deschidere utilizeaza un tub acustic acordat pentru a inversa unda de spate a
difuzorului astfel incât la frecvente joase acestea sa se adune cu unda directa in loc sa se anuleze
reciproc. Sistemul este acordat in asa fel incât sub o anumita frecventa majoritatea energiei sa
provina de la deschidere.
Figura 6.2.
Figura 6.3.
Electroacustica si sisteme audio Curs 6
15
Avantaje:
Limita inferioara a benzii mai mica
Eficienta mai mare decât a cutiei inchise la acelasi volum
Se poate proiecta pentru obtinerea distorsiunilor mai mici pâna
in zona limitei inferioare a benzii
Presiuni acustice mai mari sunt posibile
Dezavantaje:
Sunt sensibile la zgomotul infrasonor ca cel de la partile
mecanice ale componentelor audio. Rezultatul determina
distorsiuni de modulatie si poate duce la defectarea difuzorului de joase
Cadere brusca sub limita inferioara a benzii, cu efect al cresterii intârzierii de grup si deci
