Od vícepásmových reproduktorových soustav k subwooferům

autor: Tomáš Salava, zdroj

Subwoofer lze pokládat za logický, další vývojový stupeň vícepásmových reproduktorových soustav. Proč vícepásmové reproduktorové soustavy a nyní i samostatné subwoofery? Důvodem je velký kmitočtový rozsah slyšitelných zvuků a odpovídajících délek zvukových vln. Tak např. zvuková vlna o kmitočtu 20 Hz má ve vzduchu vlnovou délku přibližně 17 m. Pro 20 kHz je odpovídající vlnová délka tisíckrát kratší, tedy jen 17 mm. K vybuzení zvukových vln o délce několik metrů je potřeba dostatečná plocha i dostatečný rozkmit membrány reproduktoru. Čím silnější a hlubší zvuk, tím větší musí být buď plocha nebo rozkmit (výchylky) kmitající membrány. Rozhodující je součin plochy a rozkmitu membrány.

Hlubokotónové reproduktory mívají proto větší rozměry membrány a kmitací i pohonný systém je konstruován tak, aby umožňoval větší lineární výchylku, tedy větší rozkmit při kmitání membrány. Ale čím větší rozkmit, tím obtížnější je dosažení lineární funkce reproduktoru, tj. lineární, přesně přímo úměrné závislosti výchylky membrány na budícím proudu. Není-li podmínka linearity splněna, vzniká nelineární zkreslení vyzařovaného zvuku. Podmínka linearity může být splněna vždy jen v určitých mezích rozkmitu, nebo výchylky membrány.

Je sice možné zkonstruovat reproduktor s mimořádně velkým rozkmitem membrány, ale nic není zadarmo. Takový reproduktor je pak z více důvodů méně účinný, nebo mnohem dražší. Na stejnou účinnost je pak potřeba mnohem větší nebo mnohem dražší permanentní magnet. Anebo je pak reproduktor podstatně méně účinný a potřebuje proto na stejný akustický efekt mnohem větší elektrický příkon. Většinou se proto volí vhodný konstrukční i funkční kompromis. Zpravidla to bývá spíše větší průměr membrány (nejčastěji 20-40 cm) a rozumný mezní rozkmit (10-20 mm).

Pro ty techničtěji orientované čtenáře dodejme ještě, že rozhodující z hlediska akustického výkonu je tzv. objemové zrychlení částic vzduchu, vyvolané membránou. Potřebný rozkmit membrány běžného reproduktoru proto klesá s druhou mocninou kmitočtu. Největší rozkmit proto také potřebuje přímo vyzařující, membránový reproduktor na svém dolním mezním kmitočtu. Čím vyšší kmitočet vyzařovaného zvuku, tím menší je potřebný rozkmit membrány. Takže jestliže na určitý akustický výkon je např. na kmitočtu 40 Hz nezbytný rozkmit třeba 16 mm, pak pro 80 Hz to bude jen 4 mm a na 400 Hz už jen 0,16 mm. Ale zkuste si spočítat, kolik by pak na stejný výkon musel být za stejných podmínek rozkmit stejné membrány na kmitočtu 20 Hz, (mělo by vám vyjít 6,4 cm). Tenhle jednoduchý příklad by měl také naznačit, proč se používá samostatný, speciálně konstruovaný subwoofer jen na poměrně úzké pásmo, nejnižších kmitočtů.

Zatím jsme si alespoň stručně připomněli, proč musí být hlubokotónové reproduktory spíše velké a s možností větší výchylky membrány. Hodně ještě zvláště na hloubkách záleží na ozvučnici. Tak např. výhodné mohou být ozvučnice s akustickými obvody, ale jak si povíme dále, nic není zadarmo. Teď už jen velmi stručně, proč se naopak pro vysoké kmitočty nehodí reproduktory s velkou membránou. Nejdůležitější důvody jsou dva. Ten první souvisí se směrovostí. Membrána, jejíž rozměry jsou srovnatelné nebo větší než vlnová délka zvukové vlny, vyzařuje zvuk příliš směrově. Čím větší membrána, nebo menší vlnová délka, tím směrovější vyzařování, tedy vyzařování zvuku stále více jen do stále užšího prostorového úhlu.

Žádná větší membrána také na vysokých kmitočtech nekmitá jako dokonale tuhé těleso. Dokonce ani taková, která se na první pohled, nebo spíše na dotek, může zdát dokonale tuhá (např. z titanu, nebo grafitových případně keramických kompozitů). I na takové membráně se na vyšších kmitočtech vytváří drobné dílčí kmity, které mají své vlastní rezonance, takže kmitání větší membrány je pak zvláště na vyšších kmitočtech značně složité. Důsledkem jsou více či méně výrazné nepravidelnosti v kmitočtové charakteristice reproduktoru i jeho směrovosti a nelineárním zkreslení a navíc od určitého kmitočtu pak zpravidla rychle klesá vyzařovaný akustický výkon.

Takže pro výškový reproduktor je výhodná velmi malá membrána, zatímco pro nejnižší kmitočty by se spíše dalo říci "čím větší, tím lepší". Ale nic se zpravidla nedá příliš přehánět, takže při konkrétní konstrukci se spíše hledá celkové optimum pro dané podmínky. Ve hře jsou pak i další faktory, na hloubkách především ozvučnice a jak si povíme dále i poslechový prostor a v něm vhodné umístění zdroje nejhlubších zvuků. Optimální umístění zdroje nejhlubších zvuků umožňuje právě samostatný, vhodně konstruovaný subwoofer.