Základní typy ozvučnic

autor: Michal

Možná to je nošení dříví do lesa, protože podobných méně či více fundovaných článků už byla napsána spousta, nicméně pokusil bych se také přispět. Zatím tady nečekejte žádné vzorečky, návody a podobně, jsou to pouze teoretické slinty a zkušenosti. Při čtení tohoto článku doporučuji mít otevřený simulační software a konfrontovat tento článek s realitou, potažmo simulacemi.

Uzavřená ozvučnice
Dalo by se říct, že je to nejjednoduší ozvučnice a dá se na ní asi nejméně zkazit, tak nějak funguje pro valnou většinu reproduktorů. Pokud použijeme v uzavřené ozvučnici reproduktor, který do ní není určen, daný reproduktor pouze nedokáže plně rozvinout svůj potenciál.

Návrh uzavřené ozvučnice pro jakékoliv repro je pevně svázán s parametry onoho konkrétního reproduktoru. Nelze tedy říci, že pokud použiju 12" reproduktor typu "A" v ozvučnici, kde byl předtím typ "B", bude to plus mínus sedět, protože reproduktory mají stejný rozměr. Tak tomu není a náhrada starších repro bez repase skříní bývá problém. Stejně tak nelze říci, že by zmenšení ozvučnice v poměru rozměrů repro bylo správné, tedy že ozvučnice pro 12" musí být nutně o něco větší než pro 10".

S objemem skříně, (což je téměř jediný parametr bedny, se kterým se dá při návrhu uzavřené ozvučnice hýbat), souvisí samozřejmě zvukový výsledek. Obvyklou chybou je myslet si, že zvyšováním objemu jakoby repru "ulevuji" a ten tedy může vyšší výchylkou produkovat více basů. To je veliký omyl, který může ve svém důsledku končit i zničením, v lepším případě pouze enormním namáháním měniče.

Pro představu zvolme modelovou ozvučnici s reproduktorem ARN-226 o objemu 30l, což je pro daný reproduktor ideální ozvučnice jak typem, tak objemem. V souvislosti s tím, co jsem psal výše by se mohlo zdát, že zvětšením objemu (například na 50l) umožníme reproduktoru vyšší výchylku a tedy uvolníme sevření vnitřním objemem vzduchu. Ve skutečnosti bychom dosáhli pouze toho, že membrána reproduktoru bude mnohem hůře kontrolována zesilovačem, bude si dělat více co chce. Tedy její přirozené kmity, (dané hmotností membrány a poddjaností zavěsu v souvislosti s objemem vzduchu v bedně), se budou stávat významnější složkou, a naproti tomu nucené kmitání, které vyžaduje zesilovač, bude ustupovat do pozadí. Toto chování reproduktoru je potom pozorováno jako plápolání membrány, která (aniž by bylo produkováno adekvátní množství basů) kmitá na obrovských výchylkách, zcela mimo kontrolu zesilovače. K tomu potom mohou přispívat další faktory, jako například slabý pohonný systém reproduktoru (klasický příklad je právě naše ARN-226) nebo slabý koncový stupeň zesilovače s malým tlumením (integrované zesilovače, komerční levná "hifi" technika), připadně vysoký odpor mezi zesilovačem a reproduktorem, nebo nejlépe všechno najednou. Takový subwoofer s ARN-226 v uzavřené ozvučnici kolem 60l živený nesymetricky napájeným zesilovačem z řady TDA je zářným příkladem takového plápolajícího systému.

Snížením objemu na doporučovaných 30l se rapidně zlepší podání nejnižších basů, aniž by byla omezena šířka přenášeného pásma směrem dolů. Zvyšování objemu nad tuto mez již nepřináší nižší basy, pouze uvolňuje membránu. Membrána se bude ve 30l chovat korektněji a bude možné reproduktor zatížit vyšším příkonem. Snižováním objemu pod 30l by se už ovšem charakteristika hrbatila a zvuk by se při markantním snížení objemu stal zahuhlaným (kvůli hrbu na spodním okraji přenášeného pásma), tupým a bez nejnižších basů.

Z kostrukčního hlediska je uzavřená ozvučnice prostě bedna, do které z jedné strany vedou vodiče a na jedné straně je reproduktor. Důležitá je ovšem absolutní vzduchotěsnost (jako i u ostatních neotevřených ozvučnic, včetně basreflexu). Bednu je tedy vhodné zevnitř dotěsnit, nebo použít takovou techniku spojování desek, která netěsnosti absolutně vyloučí.

Další důležitou vlastností ozvučnic je jejich pevnost. Optimální ozvučnice se ani při nejvyšším zatížení reproduktoru nepohne, na dotek nesmí být cítit žádné vibrace, absolutně nepřípustné je pumpování stěn vlivem změn tlaku uvnitř. Takovému chování lze zamezit dobrou konstrukcí skříně, tedy vhodnou volbou síly materiálu (čímž vyroste i hmotnost, ale když nebudeme bedny stěhovat, můžeme to patřičně přehnat, věci to jenom a jenom prospěje), vnitřními vzpěrami a výztuhami (zamezí pumpování stěn, pokud se zvolí příliš slabý materiál a velká plocha stěn). Vyšší hmotnost je dobrá hlavně u vysokovýkonných reproduktorů domácích subwooferů, které mívají těžkou membránu a přestože je box pevný, vlivem zákona akce a reakce se box malinko pohybuje proti membráně. To se ale týká skutečně extrémních konstrukcí s hmotnostmi membrán v řádu stovek gramů (SUB XLS12/600)

Reproduktor montujeme do otvoru zpravidla zvenku, je vhodné přírubu patřičně zafrézovat. U basových reproduktorů tohle nemá vliv na zvuk či přednes, ale estetičnost takové bedny je vyšší a výsledek působí profesionálněji a ne jako z domu pionýrů, jak říká můj otec.

Ladění uzavřených ozvučnic vychází z několika základních TS parametrů. Vložením reproduktoru do ozvučnice reproduktoru zvyšujeme Q (tedy jakost fitru, který reproduktor představuje). Hodnoty Q pod 0.707 znamenají charakteristiku bez převýšení, hodnoty nad 0.707 jsou vždy s převýšením a čím vyšší je tato hodnota, tím je hrb užší, ostřejší a vyšší, a je posazen frekvenčně výš. Logicky z toho vyplívá, že mám-li reproduktor s Qts=0.8, jakýmkoliv kouzlením se mi nemůže podařit dosáhnout charakteristiky bez převýšení. A naopak, pokud bychom z nějakého důvodu toužili po hrbaté charakteristice s reproduktorem který má Qts kolem 0.2 (velmi kvalitní typy) bude potřeba extrémně malá ozvučnice. Nejlépe se v klasické místnosti akusticky jeví reproboxy s uzavřenou ozvučnicí laděnou cca mezi 0.6-0.7, pokud to hodnota Q dovoluje a pokud se nejedná o typy s extrémně nízkým Qts. Ty jsou ale (samozřejmě v souvislosti s ostatními TS parametry) vhodnější do rezonančních ozvučnic typu basreflex, nebo s pasivním zářičem. Obecně to znamená, že čím má reproduktor nižší Q, tím nám poskytuje více prostoru pro uživatelské ladění boxu a experimenty, a čím má Q vyšší, tím se stává méně použitelným. V praxi se s reproduktory, které mají Q vyšší než 0.7 setkáme pouze zřídka a jedná se většinou o typy nevalného jména, původu, případně autohifi "leštěnky" jejichž skutečné údaje ovšem výrobce patřičně vylepšil a posunul aditivními konstatntami do říše snů, spoléhaje se na to, že taková repra nikdo nikdy měřit nebude.

Uzavřená ozvučnice je mezi ortodoxními hifisty oblíbena nejvíce (mimo otevřenou ozvučnici, dipól - což je ozvučnice velmi sofistikovaná a náročná na návrh), zejména proto, že do systému, který generuje basy nevnáší rezonanční obvod (basreflex nebo pasiv) a "hraje" tedy pouze měnič. Do jisté míry mají pravdu, ale vzhledem k tomu, že na frekvencích, na kterých se basreflex nebo pasiv uplatňují už často jde o signály blížící se svým charakterem k harmonickému kmitání, není použití basreflexu nebo pasivu v kombinaci s vhodnými reproduktory na škodu, spíše naopak - některé reproduktory v uzavřené prostě nefungují, nebo ze sebe nevydají ani zlomek toho, co by dokázaly ve vhodně navrženém basreflexu nebo pasivu.

Bassreflexová ozvučnice
Na první pohled rozpoznatelná podle "díry", která při vysokém zatížení fouká. Nebudu se zde pouštět do popisu návrhu, na to existují simulační programy a příručky, které to popisují lépe, než bych toho byl schopen já a s nimi se naučíte pracovat nejlépe tak, že si budete hrát a zkoušet simulovat doporučované ozvučnice, hledat optima a snažit se pochopit zákonitosti a souvislosti. Tady se dozvíte zhruba proč to tak funguje a jak to nepokazit.

Obecně se děje to, že basreflex jakoby pošle ven výkon, který by se v případě optimální uzavřené ozvučnice uvnitř ztratil, přeměnil v teplo. Nelze ovšem udělat do ozvučnice díru a myslet si "já mám basreflex". Délka basreflexového nátrubku je odvislá od plochy jeho průřezu a celkově ladění závisí na objemu boxu. Ladění celého systému bedna-basreflex je NEZÁVISLÉ na použitém reproduktoru. Jinak řečeno, bedna s objemem 80l, naladěná na 35Hz a osazená reproduktorem ARN-312 bude po osazení například 12BR70 od Beymy stále naladěna na 35Hz. Rozdíl je pouze v tom, jak dané ladění boxu sedne tomu kterému reproduktoru.

Basreflex vytvoří na charakteristice odpovídající uzavřené ozvučnice hrb. Rozdíl oproti hrbu u uzavřené ozvučnice je ten, že s ním právě laděním basreflexu můžeme hýbat. Jeho vhodným umístěním lze dosáhnout toho, že se v charakteristice "mateřské" uzavřené ozvučnice ztratí a pouze dojde k natažení charakteristiky směrem dolů, tedy reproduktor se jakoby naučí hrát níže. Případně (a to je obvyklý trik u komerční spotřební elektroniky) se tento hrb situuje výše, do oblasti, kde již plně funguje basové repro a tím se dosáhne značného zvýšení hlasitosti basů, což je dnešní mládeží vnímáno jako "hustý basy" a podobně. K navýšení dojde pouze v úzké oblasti například 80-100Hz, ale efekt síly to zjevně přináší. A protože nic není zadarmo i basreflex má svá negativa a úskalí.

Předně taková ozvučnice klade vyšší nároky na kvalitu (a tedy jakost - viz Q z předešlé kapitoly) reproduktoru. Vhodnost toho kterého repra do basreflexu si lze ověřit vzorečkem, který vypočítá tzv. EBP (Efficiency Bandwidth Product - Google). Reproduktory s nízkým EBP patří do uzavřených, reproduktory vysokým do ozvučnic basreflexových, hornů, nebo pasivů. Ale ani zde nelze paušalizovat a existují reproduktory přímo navržené například pro pasivní zářiče, které by se podle vzorce EBP zdály na hranici použitlenosti.

Pro konstrukci basreflexové skříně platí to samé, co pro konstrukci skříně uzavřené s tím, že zde jsou paradoxně ještě vyšší nároky na vzduchotěsnost ozvučnice. Jednak by vlivem unikání vzduchu mimo basreflexovou rouru docházelo k posunutí frekvence ladění, ale také kvůli tomu, že v basreflexové ozvučnici jsou rozdíly tlaků vyšší než v ozvučnici uzavřené. Tohle, na první pohled nesmyslné tvrzení, vychází z toho, že basreflex reaguje na pohyb membrány v určitém zpoždění, které je dáno poddajností vzduchu v ozvučnici.

Basreflex se "dozví" o změně tlaku, kterou vyvolal pohyb membrány až později a začne tuto změnu vyrovnávat. Během toho začne ze zesilovače proudit signál o opačné polaritě a donutí membránu pohybovat se opačným směrem. V tomto okamžiku se pohybuje membrána i vzduch v nátrubku stejným směrem (tedy oba ven, nebo oba dovnitř) a dochází k onomu vyššímu tlaku než v uzavřené ozvučnici. Opět se zpožděním se vzduch v nátrubku vydá směrem, kterým ho pošle tlak od membrány. Vzduch v basreflexu tedy kmitá s fázovým posunem proti kmitům membrány a díky tomu nedochází k akustickému zkratu a basreflex má onen posilující účinnek.

Pod frekvencí ladění basreflexu ovšem k akustickému zkratu dojde velmi rychle a membráně se zdá že hraje v otevřené ozvučnici. Je tedy nutné zajistit, aby se signál o nižší frekvenci, než je ladění basreflexu do takové bedny nedostal. V klasicky naladěné ozvučnici řekněme na 35Hz se tím v domácím hifi nemusíme příliš zabývat, frekvence pod touto hranicí se vyskytují velmi vzácně a v bezpečných úrovních hlasitosti. Profesionální subwoofer, nebo výkonný domácí subwoofer se už bez takového omezení neobejde.

Velmi často se začínající konstruktéři při návrhu basreflexu dostávají do úzkých. Je to dáno obecnou snahou "jí s tím co nejníž" v co nejmenším objemu. Potom vycházejí délky nátrubků příliš velké a jedinným (a špatným) řešením takového ladění je zmenšit průměr basreflexové roury. Snížením průměru se zvýší odpor vzduchu v ní a pro stejné ladění stačí tedy kratší trubka. Problém je ovšem v tom, že vzduchu v basreflexu bude proudit stejné množství (stejný objem bedny i plocha a výchylka membrány na stejném ladění) a musí tedy dojít ke zvýšení rychlosti proudění vzduchu v nátrubku. To s sebou nese téměř jisté problémy s turbulencemi na hranách trubky, které sice jdou odstranit zaoblením hran, ale takovéhle úzké a dlouhé basreflexy se už přestávají chovat předvídatelně a vlivem nestejné rychlosti proudění uprostřed a na okrajích roury (tření) dochází k posouvání ladění bedny. Čistě orientačně by se dalo řici, že basreflexová roura má mít minimálně tolik cm v průměru, kolik má basový reproduktor palců. Pro reproduktor ARN-312 tedy doporučím 12cm nátrubek. U takových rozměrů by neměly být s turbulencemi problémy ani při velkých výchylkách a bez významnějšího zaoblování. Nemít v basreflexu ostré hrany ovšem patří k dobrému vychování kontruktéra hifi boxů a to i v případě, že turbulence nehrozí.

Délka basreflexu už se dopočítá (dosimuluje, doměří) a stává se tak jediným pohyblivým parametrem bedny, kterým se dolaďuje do finální podoby.
Z praktického hlediska lze basreflex vyrobit z čehokoliv, co vyhoví. Klidně zpevněná odpadní roura, originální nátrubky (drahé), osobně používám role od fólie, kterou se balí zboží na paletách, mají vnitřní průměr mezi 5-7cm (což je na dvoupásmové hifi soustavy akorát), jsou z papíru silného přes 1cm a dají se brousit, opracovávat podobně jako MDF a jedná se o odpad, tudíž je zadarmo. Pro DIY optimální záležitost. Při potřebě většího průměru lze použít větší množství rour stejně dlouhých, přičemž rozhoduje celková PLOCHA otvoru roury. Součet PLOCH všech vnitřních průřezů rour musí odpovídat teoreticky vhodné PLOŠE v případě jednoho basreflexu. Příkladně nátrubek o ploše 7cm můžeme nahradit dvěma nátrubky o průměru 5cm a plocha bude téměř stejná.

Pasivní zářič
Funguje na podobném principu jako basreflex. U basreflexu je hmotnost a poddajnost zátěže představována vzduchem v nátrubku, zde je to přímo pasivní membrána. Tu si může laik představit jako reproduktor bez magnetu. Většinou bývají na venek nerozeznatelné, rozdíl je v tom, že pasivní membrána mívá z pravidla vyšší hmotnost membrány než měnič/reproduktor a chybí mu právě kmitací systém, pohon, tedy magnet a cívka. Chování ozvučnice je stejné jako basreflex s hrbem a nutností oddělit nižší kmitočty pod rezonancí. Pasivní zářiče jsou také vhodnou volbou v případě, že basreflex vychází příliš dlouhý. Jak jsme si řekli, u dlouhých nebo úzkých basreflexů vznikají turbulence, což se u pasivu nemůže stát - žádný vzduch nikde neproudí. Také ladění je jednoduché. Jelikož z poddjaností závěsu hýbat nelze, zbývá jako pohyblivý parametr hmotnost pasivní membrány. Pasivní zářiče mají tedy na zadní straně závit, na který můžeme jedoduše přidávat olůvka či jiná závaží, a účinně a pohodlně tak ladit box. Výchylka pasivu bývá (při použití pasivu stejné velikosti jako je měnič) tak o třetinu vyšší než výchylka aktivního reproduktoru, ale s tím výrobci zpravidla počítají. Jediným limitem maximální výchylky je závěs (a ten bývá dostatečně pevný), nehrozí zničení kmitky vysokou výchylkou, nebo vyskočení basu z pólového nástavce jako u reproduktoru. Příkladem dobrého použití pasivního zářiče je subwoofer SUB XLS12/600 s reproduktory Peerless zde v projektech. Hmotnost jeho pasivní membrány je 425g, což s objemem skříně 35l dává ladění boxu kolem 22Hz. Pokud bychom chtěli takového naladění dosáhnout s basreflexem, při průměru 9cm (a i to je na takový reproduktor už málo) potřebujeme rouru o délce přes 50cm. S optimálním 12cm basreflexem bychom se dostali k 1m. Nemožné. S pasivem to jde lehce. Pasivní zářiče jsou vhodné právě na takovéhle nízké ladění.