Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się nad tym, kto wynalazł tranzystory polowe albo inaczej mówiąc tranzystory unipolarne, wchodzące w skład niemalże wszystkich wzmacniaczy zintegrowanych? To genialny, amerykański naukowiec dr Oskar Heil od lat sześćdziesiątych prowadził liczne prace w dziedzinie elektroniki. Właśnie jego dziełem są tranzystory polowe FET (Field Effect Transistor), czyli kluczowe elementy wielu układów elektronicznych stosowanych także w sprzęcie audio, ale nie tylko, gdyż głośniki wstęgowe również zawdzięczamy jego pracy. Heil dużo czasu poświęcił badaniom nad techniką głośnikową. Początkowo, głównie z problemami z jakimi się ona borykała. Swoje badania rozpoczął jednak od poznania najważniejszych charakterystyk ludzkiego słuchu.
Spis treści: Dr Oskar Heil – ważna postać w historii rozwoju branży audio
Cechy ludzkiego słuchu
Podstawową funkcją słuchu jest identyfikowanie dźwięków i określenie ich kierunku. W drodze ewolucji wykształciły się mechanizmy wspomagające właściwy odbiór wrażeń słuchowych. Człowiek potrafi precyzyjnie wydzielić pojedyncze źródła dźwięku spośród złożonej grupy. Dzięki odpowiedniej koncentracji potrafimy usłyszeć np. odległy głos i zignorować szum, którego poziom jest niejednokrotnie wyższy. Pierwszoplanowa funkcja rozpoznania źródła powoduje, że ucho jest bardziej czułe na pewne cechy dźwięku, a mniej wrażliwe na inne. Ma to znaczenie przy odbiorze muzyki, a więc także przy reprodukcji muzyki przez zestawy głośnikowe. Dr Oskar Heil przyjrzał się zatem najistotniejszym właściwościom słuchu.
Percepcja amplitudy
Słuch człowieka wykazuje małą czułość na skoki głośności lub względne głośności dźwięków pojawiających się w tej samej chwili. Różnice w amplitudzie słyszalnych dźwięków są bardzo duże, stosunek poziomu szeptu i normalnej mowy wynosi 1:100 000 (50 dB). Uznaje się, że człowiek potrafi odczuć różnicę poziomu natężenia dźwięku już od ok. 1 dB.
Konstrukcja błony bębenkowej chroni ją przed zniszczeniem przez obniżenie czułości na coraz wyższych poziomach głośności. W określonych granicach głośność różnych dźwięków nie jest zbyt istotna, gdyż mechanizm adaptacyjny może dopasować się do różnych poziomów. To tłumaczy fakt, że zgiełk ulicy do pewnego stopnia nie przeszkadza nam w rozmowie.
Percepcja częstotliwości
W przeciwieństwie do małej wrażliwości na zmiany amplitudy ucho jest wyjątkowo czułe na zmiany wysokości tonu, czyli częstotliwości, szczególnie w środkowym paśmie. Półton na skali muzycznej reprezentuje różnicę częstotliwości 6%, a skrzypcowe wibrato to róznica ok. 0,5%. Człowiek natomiast w krytycznym zakresie 300 do 3000 Hz potrafi rozróżnić dwa tony o częstotliwościach oddalonych od siebie zaledwie o 0,06% (!). Powyżej i poniżej tego zakresu zdolność dyskryminacji częstotliwości pogarsza się, ale i wtedy słuchacz potrafi skok o pół tonu rozdzielić jeszcze na kilkanaście podzakresów.
Wrażliwość na wysokość tonu służy przede wszystkim rozpoznawaniu różnych głosów. Kiedy mówimy, struny głosowe wytwarzają tony o ciągle zmieniającej się częstotliwości, tworząc charakterystyczne dla danej osoby widmo sygnału mowy. Na podstawie modulacji głosu można nawet wiele powiedzieć o nastroju osoby mówiącej.
Percepcja fazy
Jesteśmy bardzo wrażliwi na przesunięcia fazy (opóźnienia czasowe) fal docierających do obu uszu, gdyż na nich opiera się w dużej mierze umiejętność lokalizacji źródeł. Stwierdzono, że kierunek można określić nawet z dokładnością do 3 stopni. Przy obrocie głowy o kąt 3 stopni każde ucho przesuwa się o ok. 0,5 cm. Dzieląc tę wartość przez prędkość dźwięku (340 m/s) otrzymamy 0,015 ms. Oznacza to, że potrafimy rozróżnić fale docierające do uszu opóźnione względem siebie zaledwie o 0,015 ms. Dokładność lokalizacji zależy od częstotliwości i jest najlepsza w zakresie 500 – 3000 Hz. Informację o kierunku ucho wyciąga z narastającego zbocza rozpoczynającego złożoną falę dźwiękową. Szybkość odpowiedzi membrany głośnika jest więc bardzo istotna dla wiernego oddania muzyki. Jeśli głośnik nie potrafi przenieść transjentów lub zniekształca je, to powoduje tym samym pogorszenie lokalizacji źródeł i rozmycie całego obrazu akustycznego.
Badania nad głośnikami
W tym miejscu można się zastanowić, dlaczego szukano nowych rozwiązań? Jednym z głównych problemów przy konstrukcji głośników jest usunięcie dodatkowych rezonansów, które nakładają się na sygnał muzyczny. Pobudzenie do drgań powietrza z małymi stratami energii wymaga, aby membrana była możliwie najlżejsza. Z drugiej strony zbyt lekka (cienka) membrana jest tak giętka, że powstają w niej własne rezonanse. W stanie rezonansu membrana podlega różnym zmianom, występują odkształcenia, fale stojące i drgania „dzwonowe”. Dopóki membrana pobudzana jest siłą o częstotliwości, która doprowadziła do rezonansu, następuje magazynowanie energii. Po ustaniu sygnału membrana drga dalej, póki nie rozproszy nadmiaru energii. Pogarsza się tym samym zachowanie impulsowe głośnika. Zbocza narastające ulegają stłumieniu, gdyż energię absorbują drgania rezonansowe, a konieczność oddania tej energii powoduje, że ostre zbocza opadające są niemożliwe do zrealizowania.
Materiał tłumiący
Projektanci klasycznych przetworników dynamicznych zwykle ograniczają rezonanse membrany przez pokrycie jej warstwą tłumiącą, zwiększającą sztywność. Dodatkowy materiał oznacza jednak większą masę i wolniejszą reakcję na pobudzenie impulsowe. Redukcji ulega efektywność głośnika, wzrastają więc wymagania względem wzmacniacza. Podczas ruchu, włókna lub cząstki materiału tłumiącego ocierają się, a energia ulega zamianie w ciepło. Wewnętrzne tarcie prowadzi do powstawania zniekształceń. Ciepło musi ulec rozproszeniu, dlatego przy większym wzroście amplitudy powstają miejsca o niejednorodnej strukturze, w których np. cząstki ulegają sklejeniu. Tam też materiał traci swe właściwości tłumiące, a wzrasta elastyczność membrany. Czynniki te powodują zwiększenie częstotliwości rezonansowej, a powstałe harmoniczne lub modulacje częstotliwości są słyszalne jako zniekształcenia.
Równomierny rozkład siły pobudzającej
W przypadku przetworników elektrostatycznych i magnetostatycznych stosuje się bardziej równomierny rozkład siły pobudzającej, która oddziałuje na większej powierzchni.
Powierzchniowe membrany promieniują fale wskutek pobudzenia siłą prostopadłą do ich powierzchni. Membrana jest zagięta przy zawieszeniach. Ruch tego zagięcia jest kilka razy wolniejszy niż szybkość propagacji dźwięku w materiale membrany. Elastyczność materiału wykorzystywana jest na zasadzie dźwigni. Kiedy membrana wygięta jest ku dołowi, to górna powierzchnia ulega rozciągnięciu, a dolna spłaszczeniu. Jeśli materiał membrany umożliwia pierwotnie propagację dźwięku z szybkością 300 m/s, to w tym przypadku może ona ulec zmniejszeniu do 50 – 100 m/s. Ta wartość nie jest stała, gdyż propagacja fal zachodzi pod zmieniającymi się kątami. Kiedy fala dźwiękowa rozprzestrzenia się w membranie, powierzchnia membrany ulega ugięciu i dlatego w jednym kierunku jest znacznie sztywniejsza niż w innych. Jeśli fale są propagowane prostopadle, to wzrost sztywności prowadzi do wzrostu wysokości tonu. Cienkie membrany o dużych rozmiarach poprzecznych zachowują się w opisany sposób, dlatego zmiany wysokości tonu są nie do uniknięcia. Pamiętajmy przy tym, że potrafimy już odczuć kołysanie częstotliwości rzędu 0,06%.
Potrzebne było zatem zupełnie nowe, nietypowe podejście do tych zagadnień, tak aby znaleźć odpowiednie rozwiązanie. Z pomocą przyszedł świat przyrody.
Badania przyrodnicze
Dr Oskar Heil badał również fenomen zwierząt o małych rozmiarach, które małym nakładem sił potrafią generować dźwięki o dużym natężeniu. Dla przykładu wiele owadów poruszając bardzo szybko skrzydłami wytwarza dźwięki słyszalne z dużej odległości. Podobnie ptaki operując małą ilością powietrza potrafią głośno śpiewać i modulować głos.
Co ciekawe, dr Heila szczególnie zafascynował świerszcz, który wytwarza charakterystyczny dźwięk za pomocą skrzydeł działających jak pompa powietrza. Świerszcz porusza skrzydłami z określoną częstotliwością i odpycha od swego ciała powietrze, którego drganie tworzy falę akustyczną. Lokalizacja źródła jest bardzo trudna, co wynika ze sposobu promieniowania. Ruchoma masa powietrza szuka drogi najmniejszego oporu i dlatego przemieszcza się bardzo szybko.
Dr Heil przeprowadził też słynny eksperyment z pestką wiśni. Gdy jest ona zwyczajnie rzucona, to jej początkowa prędkość jest równa szybkości, z jaką rzucający porusza ręką. Jednak, jeśli chwyci się ją kciukiem i palcem wskazującym, a następnie przyciśnie do siebie czubki tych palców, pestka „wystrzeli” się z prędkością wielokrotnie większą niż prędkość ruchu palców. W tym wypadku mamy do czynienia z transformacją ruchu powietrza, która legła u podstaw działania późniejszego wynalazku doktora Heila.
Air Motion Transformer – pomysłowa konstrukcja
Opracowany na początku lat siedemdziesiątych Air Motion Transformer wykorzystuje właśnie ten rodzaj „dźwigni” z przełożeniem: jeden do pięciu, aby zapewnić niezwykle efektywne generowanie dźwięku: Wypycha powietrze między fałdami zygzakowatej membrany, gdyż aluminiowe szyny przewodzące poruszają się pionowo w każdej fałdzie oddalają się i zbliżają do siebie naprzemiennie, ze względu na przepływ prądu naprzemiennie w górę i w dół membrany. Przy stosunku szerokości do głębokości każdej fałdy jeden do pięciu, powietrze porusza się pięć razy szybciej niż membrana.
Tym samym dr Oskar Heil stworzył jedną z niewielu naprawdę pomysłowych konstrukcji. Z biegiem czasu można było zobaczyć kolumny głośnikowe wyposażone w tego typu głośniki wysokotonowe, znane ze swoich walorów sonicznych – takim przykładem są przetworniki JET stosowane w głośnikach marki ELAC.
Podsumowanie
Jeśli chcesz lepiej poznać możliwości kolumn głośnikowych wyposażonych w głośniki, których powstanie zawdzięczamy m.in. badaniom prowadzonym przez dr Oskara Heila, zachęcamy do kontaktu z jednym z sieci salonów sprzedaży Top Hi-Fi & Video Design. #EksperciDobregoBrzmienia pomogą Ci sprawdzić wybrane modele do niej należące w odpowiednio skonfigurowanym systemie stereo, dostosowanym do Twoich preferencji.
Muzyka potrafi pisać najlepsze historie. Usłysz swoją, dzięki Top Hi-Fi & Video Design
Komentarze