Głośniki można klasyfikować według najrozmaitszych kryteriów. Może być to ich zastosowanie albo kryterium wynikające z ich pasma przenoszenia. Zakres częstotliwości przenoszony przez głośniki wysokotonowe (ang. tweeters) wynosi: od 2 – 5 kHz do 18 – 30 kHz. Zdarzają się też głośniki ultrawysokotonowe, przede wszystkim działające dobrze powyżej 10 kHz. Ale częstotliwość graniczna znajduje się o wiele wyżej niż w przypadku standardowych tweeterów – nawet w okolicach 50 – 60 kHz (rekord wynoszący 150 kHz należy do głośnika jonowego).
Idealny przetwornik wysokotonowy
Idealna głośnik wysokotonowy w swym założeniu konstrukcyjnym powinien przenosić zakres częstotliwości co najmniej do 20 kHz bez odkształceń i rezonansów mechanicznych. Drogi do osiągnięcia tego celu mogą być różne. Zależnie od zastosowanego rozwiązania technicznego i towarzyszącej mu technologii wszystko sprowadza się do wytworzenia fali akustycznej w sposób tłokowy.
Rodzaje konstrukcji
Ze względu na zasadę działania obecnie stosowane głośniki dzieli się na:
Magnetoelektryczne (dynamiczne)
Elektrostatyczne
Piezoelektryczne
Jonowe
Zasada działania głośników różnego typu
W głośniku magnetoelektrycznym (dynamicznym) membrana jest przymocowana do cewki nawiniętej z przewodnika, przez który płynie zmienny prąd elektryczny. Siła elektrodynamiczna działająca na przetwornik w polu magnetycznym powoduje ruch membrany.
Inaczej jest w przetworniku elektrostatycznym . Swoją budową przypomina duży kondensator powietrzny. Naelektryzowana membrana działa jak elektroda albo jedna z okładek tego kondensatora. Zmiany pola elektrycznego wewnątrz tej konstrukcji powodują działanie zmiennych sił na jego okładki, a tym samym na membranę, wprawiając ją w ruch.
Przetwornik piezoelektryczny zbudowany jest z membrany przymocowanej do elementu piezoelektrycznego albo sama ma takie właściwości (piezoelektryczne). Zmiany pola elektrycznego wewnątrz elementu piezoelektrycznego powodują jego odkształcenia – drgania, co przyczynia się do generowania dźwięku przez głośnik.
Głośniki jonowe nie mają membrany. Fala akustyczna powstaje w nich bezpośrednio wskutek drgań jonów w pewnej objętości zjonizowanego gazu. Jony są pobudzane do drgań przez zmienne pole elektryczne. Jonizację gazu zapewnia się przez lokalne jego podgrzanie do bardzo wysokiej temperatury. Ze względu na specyfikę tego rozwiązania i warunki użytkowe głośniki jonowe spotykane są wyłącznie w bardzo drogich i wyrafinowanych zespołach głośnikowych dla bardzo zaawansowanych audiofilów.
Nietypowe konstrukcje głośników magnetoelektrycznych
Wśród głośników magnetoelektrycznych (dynamicznych) spotyka się różne ich odmiany. Jedną z nich są konstrukcje bezcewkowe. Budowa tych głośników opiera się na spostrzeżeniu, że jeżeli sama membrana przejmuje funkcję cewki, to napędzana równomiernie na całej powierzchni będzie promieniowała jak sztywny tłok (nie powstaną przy tym drgania poprzeczne), choć membrana wcale nie musi być sztywna. Taki sposób poruszania membrany nosi nazwę napędu izodynamicznego.
Głośniki izodynamiczne mają membranę z materiału przewodzącego prąd elektryczny (metal lub tworzywo z nałożoną warstwą metalu) albo przymocowany do jej powierzchni (np. wtopiony w nią) układ przewodników o odpowiedniej geometrii. Membrana taka jest umieszczana w dostatecznie silnym polu magnetycznym. Mimo trudności technologicznych i dużego kosztu magnesów produkuje się tego rodzaju głośniki o bardzo dobrych właściwościach. Służą one do odtwarzania wysokich tonów. Spotyka się również tzw. „ściany” – głośniki złożone z wielu segmentów o całkiem pokaźnych wymiarach np. 50 x 150 x 5 cm. Służą one do odtwarzania tonów średnich i niskich.
Odmianą głośnika izodynamicznego jest głośnik wstęgowy, w którym membrana ma postać wąskiej, przewodzącej wstążki.
Materiały
Membrany głośników przeznaczonych do odtwarzania większych częstotliwości są najczęściej wykonywane w kształcie wypukłej czaszy, tzw. kopułki (ang. dome). Membrany kopułkowe wykonuje się z najróżniejszych materiałów: tworzyw sztucznych twardych i miękkich, pianek różnego rodzaju, materiałów warstwowych i o strukturze włóknistej, np. tkanin nasyconych tworzywem, tworzyw z domieszką włókien węglowych, a nawet azbestowych (sic!). Jednak aby spełnić postulat idealnej pracy tłokowej, do budowy membrany wysokotonowej należałoby użyć lekkiego i sztywnego materiału. Spotyka się zatem różne wyrafinowane konstrukcje metalowe (np. aluminiowe, berylowe, magnezowe lub tytanowe) lub z warstwą metalu, a także z warstwami ceramicznymi (tlenków metali).
Dlaczego jest to tak ważne? Dlatego, że im sztywniejsza jest membrana, tym przy wyższej częstotliwości przestaje się ona zachowywać jak idealnie sztywny tłok. Zjawisko to określane jest jako rezonans własny membrany. Poza sztywnością mają tutaj jeszcze wpływ inne czynniki takie jak chociażby wielkość, grubość i profil membrany, rodzaj zawieszenia, sposób uformowania i połączenia cewki z membraną.
Z punktu widzenia teorii, idealnym przypadkiem byłoby zastosowanie materiału bardzo lekkiego, wręcz nieważkiego i jednocześnie sztywnego w sposób nieskończony (doskonały). Oczywiście jest to tylko teoria, ponieważ prawdopodobieństwo znalezienia takowego materiału w praktyce jest bliskie zeru. Tytan jest znacznie sztywniejszy od aluminium. Niestety jest dużo cięższy – tytan ma gęstość 4,5 g/cm3, natomiast aluminium – 2,7 g/cm.
W przyrodzie występują jednak materiały bardziej odpowiednie do budowy wysokotonowych membran kopułkowych niż aluminium, ewentualnie tytan, które są dość chętnie wykorzystywane przez producentów głośników. Jednym z bardziej oryginalnych jest beryl. Charakteryzuje się 3-krotnie większym modułem Younga (E) – parametrem fizycznym określającym sztywność materiału – niż tytan, a przy tym jest od niego 2,5-krotnie lżejszy.
Wydaje się materiałem wręcz idealnym na membrany, jednak na drodze do szczęścia stoi jego niewielka dostępność oraz trudny i żmudny proces uzyskiwania czystego metalu. Do tego dochodzą jeszcze problemy z silną toksycznością jego oparów, wymagające zastosowania skutecznych procesów detoksykacji oraz dodatkowych elementów zabezpieczających gotowy przetwornik. Wszystko to sprawia, że koszt takiego materiału do wykonania membran w głośnikach jest bardzo wysoki, co później przekłada się poziom cen kompletnych zespołów głośnikowych czy ostatnio nawet słuchawek.
Kolejnym materiałem jest diament. Ma cały szereg dość interesujących właściwości fizycznych, przydatnych zwłaszcza w branży audio. Wynikają one z bardzo mocnych wiązań pomiędzy atomami tworzącymi regularną strukturę krystaliczną. W tym miejscu warto przypomnieć, że diament jest najtwardszym znanym materiałem. Charakteryzuje się rekordowo wysoką wartością modułu Younga (określającego sztywność). Ma również najlepszą przewodność cieplną. Ponadto jest też doskonałym dielektrykiem, który wskutek domieszkowania innymi atomami można zmienić w półprzewodnik. Oprócz tego, diament jest bardzo stabilny chemicznie. Utlenianie zachodzi tylko w bardzo wysokiej temperaturze i pod wpływem tylko nielicznych związków chemicznych (np. azotanu sodu).
Mimo faktu, że diament jest fantastycznie twardy i sztywny, to z racji większej gęstości jest po prostu cięższy – prawie dwukrotnie od berylu. Wobec tego przewaga na tym drugim nie jest aż tak spektakularna, jak mogłoby się wydawać. Jak na razie, zastosowanie diamentu w audio jest bardzo ograniczone i zarazem kosztowne.
Producenci nie ustają w znalezieniu idealnego kompromisu między wagą a sztywnością materiału, z jakiego można wykonać przetworniki wysokotonowe, a efekty tego wyścigu technologicznego można usłyszeć w salonach Top Hi-Fi & Video Design. Zapraszamy na odsłuchy!
Komentarze