ELEKTROAKUSTIKA

OBJEKTIVNA AKUSTIKA

Oscilacije zvučnog pritiska koje nadražuju čulo sluha zovu se Zvučni spektar.

Zvučni spektar sastoji se od:
- Osnovnih tonova (osnovna frekvencija oscilovanja)
- Harmonika (celobrojni umnošci frekvencije osnovnih tonova)
- Šuma (složene nepravilne neperiodične oscilacije)
- Dinamike (odnos između najglasnijeg i najtišeg tona)
- Takta (najmanji deo muzičke kompozicije)

Da bi smo prepoznali izvor zvuka, on pored osnovnih tonova (čist ton), mora da ima harmonike (boja tona) koji ga bliže određuju. Identična frekvencija osnovnog tona na svim instrumentima, isto se čuje. Tabela prikazuje raspon frekvencija osnovnih tonova i harmonika, klasičnih muzičkih instrumenata.

Tonske_frekvencije

MUZIČKI_INSTRUMENTI

FILHARMONIJA_OSNOVA


SUBJEKTIVNA AKUSTIKA

- Osetljivost i analizatorska sposobnost ljudskog uha najveća je u području srednjotonskih frekvencija od 250÷6.000 Hz.
- Osetljivost uha na subjektivnu jačinu zvuka pri svim nivoima jačine zvuka (0÷130 dB SPL) najveća je u području od 3.000÷4.000 Hz. Područje za ne diranje i izbegavanje u širokom luku.
- Najveća linearnost uha je u oblasti od 80÷100 dB.
- Uho primećuje razliku u kvalitetu zvuka kada se vreme reverberacije (jeka) promeni za 0,1÷0,2 sec.
- Govor u rasponu od 800÷1.700 Hz ima svoja formantna (rezonantne frekvencije glasa) područja važna za razumljivost.
- Za vernu reprodukciju govora, potrebno je reprodukovati harmonike do 10.000 Hz.
- U području od 2.000÷5.000 Hz uho uočava razliku nivoa signala od 1 dB.
- U području od 500÷5.000 Hz uho primećuje promenu frekvencije od 0,3 %.
- U području od 20÷6.000 Hz nalazi se većina muzičke energije (snaga).
- Zdrava mlada deca imaju pun slušni raspon do 20.000 Hz, do 20. godine gornja granica pada na 16.000 Hz, a od 20. godine postepeno se smanjuje da bi kod 60. godine pala na 8.000 Hz. Ovo je normalan proces koji se može ubrzati dugotrajnim slušanjem glasne muzike preko zvučnika ili slušalica.
- Osnovni tonovi (zeleno polje) ne definišu u potpunosti zvuk instrumenta, tako da se oni preporučuju za odabir preklopne frekvencije niskotonskog područja. Harmonici (sivo polje) definišu zvuk instrumenta u potpunosti, tako da se ne preporučuju za odabir preklopne frekvencije niskotonskog područja.

Klasični instrumenti i njihovi orkestri čine izvor najverodostojnijeg i najkvalitetnijeg zvučnog spektra. Kao takvi, oni su najbolja podloga za proveru kvaliteta pretvaranja zvuka u električne signale i obrnuto. Koncerti simfonijskih orkestara predstavljaju mesta gde se uho navikava i vežba za osećaj pravilnih frekvencija,dinamike i njihove prostornosti. Profesionalno uvežban čovek koji može dati potpunu i pravilnu informaciju o zvučnom spektru, njenoj prostornosti i linearnosti, zove se dirigent - upravljač orkestra i najosetljiviji instrument.

Klasični muzički instrumenti (prirodni tonovi) u odnosu na elektrificirane (in plug) muzičke instrumente (veštački tonovi):
- poseduju mnogo više harmonika koji detaljnije opisuju zvuk (finese)
- poseduju veći dinamički raspon (od najtišeg do najglasnijeg tona)
- imaju češće prelaze od najtišeg do najglasnijeg i obratno, kako tokom stvaranja tona, tako i tokom takta, u jako kratkom vremenskom intervalu, i po nekoliko puta za redom
- imaju komlikovaniji zvučni spektar
- ne koriste dodatne uređaje za "oblikovanje" električnog signala

Zvučna kutija koja dobro reprodukuje muziku klasičnih instrumenata, dobro će reprodukovati muziku električnih instrumenata. Obrnutom se nemojte nadati. Ko od nas, zaista zna kako sviraju (zvuče) električni muzički instrumenti?



TEHNIČKA AKUSTIKA

Radni frekvencijski opseg zvučnika ili zvučne kutije je opseg gde je sa donje strane ograničen rezonantnom frekvencijom, a sa gornje strane se dinamika smanji za 12 dB od vrednosti koju ima u opsegu oktave sa najvećom dinamikom.

Prenosno područje zvučnika je frekvencijski opseg sa donjom i gornjom graničnom vrednošću frekvencije gde su dozvoljena kolebanja u frekvencijskoj karakteristici određena standardima (JUS, DIN) i iznose +/- 2 dB za veoma kvalitetan zvučnik.

Nazivna impedansa zvučnika je ona impedansa koja je na zvučniku naznačena, 2, 4, 8, 16, 24 ohm.

Frekvencijska karakteristika impedanse je kriva koja daje zavisnost impedanse zvučnika od frekvencije. Odstupanje impedanse zvučnika ne sme biti veće od +/-10% (jugoslovenski standard JUS N.R6.020-1963).


Frekvencijska pasivna skretnica treba da omogući:
- jednaku akustičku snagu (dinamiku) na zvučnicima za ceo zvučni spektar
- identičan fazni odziv (električni signal u isto vreme) svih zvučnika
- zajedno sa zvučnicima, konstantan radni otpor nezavistan od frekvencije, identičan radnom otporu pojačala (4 ohm), [8 ohm] {16 ohm}, da bi pojačalo radilo bez izobličenja
- minimalne gubitke snage u prenosu signala kroz reaktivne elemente (kondenzatori, kalemovi)
- minimalna tranzijentna (impulsna) izobličenja (slika izlaznog signala uz iznenadnu promenu ulaznog signala)


Red skretnice određuje gušenje u nepropusnom delu skretnice kod preklopne frekvencije. Odabir reda skretnice uslovljen je:
- karakteristikama zvučnika
- našom željom koji će opseg frekvencija da pokrije
- strminom bokova razdvojenih područja
- tranzijentnim izobličenjima koje dotični red skretnice stvara


BUTERWORTH_AMPLITUDA

Slika daje amplitudne karakteristike Butterworth filtera pojedinih redova:
- 1. red sa gušenjem 6 dB/okt
- 2. red sa gušenjem 12 dB/okt
- 3. red sa gušenjem 18 dB/okt
- 4. red sa gušenjem 24 dB/okt

Sa slike se vidi koliko mora biti prenosno područje zvučnika za redove skretnice u odnosu na preklopnu frekvenciju Fk. Vrednosti proširenja opsega zvučnika za pojedine redove skretnice:
- za 1. red proširenje iznosi 2 oktave
- za 2. red proširenje iznosi 1 oktavu
- za 3. red proširenje iznosi 2/3 oktave
- za 4. red proširenje iznosi 1/3 oktave 

tranzijentna_izoblicenja

 

Niskotonski zvučnici

Za emitovanje niskih frekvencija potreban je zvučnik za emitovanje velikih akustičkih snaga, niske rezonantne frekvencije, malih izobličenja, velikog prečnika membrane i velikih hodova membrane na jako niskim frekvencijama. Idealno prenosno područje je iznad rezonantne frekvencije pa do 800 Hz. Rezonantna frekvencija im je oko 25÷35 Hz. Potrebno je da zvučnik ima radni frekvencijski opseg koji je za dve oktave veći od gornje prenosne frekvencije. Dimenzija membrane utiče na ravnomerno rasprostiranje zvučnog pritiska u širokom prostoru ispred zvučnika do određene frekvencije (karakteristika usmerenosti) prema tabeli:

GRANICNA_FREKVENCIJA_ZVUCNIKA

Do 300 Hz zvučni talas je ravanski, a preko toga je zrak (uzak snop), kako je nauka uočila.

Srednjotonski zvučnici 

Srednjotonski zvučnici rade u najkritičnijem području prenosa frekvencija od 250÷6.000 Hz. U ovom području, osetljivost i analizatorska sposobnost ljudskog uha su najveći, a u njemu su najveće koncentracije u muzičkom materijalu. Srednjotonski zvučnici moraju biti bez kompromisa. Ne sme se tolerisati neravnomernost u frekvencijskoj karakteristici, izobličenja i koloracija (dodavanje nepostojećih tonova). Pogonski sistem mora biti linearan. Radni frekvencijski opseg trebao bi biti od 125÷10.000 Hz. Rezonantna frekvencija im je oko 100÷500 Hz.


Visokotonski zvučnici

Rezonantna frekvencija im je oko 600÷2.000 Hz. Radni frekvencijski opseg trebao bi biti od 1÷20 kHz.  Ovaj opseg je jako širok pa se koriste zvučnici sa sledećim prenosnim frekvencijskim opsezima: 1÷10kHz; 3÷20 kHz; 8÷20 kHz.


Izbor preklopne frekvencije

Na osnovu Tonskih frekvencija i Subjektivne akustike, napravljen je pregled frekvencijskih područja za određene kombinacije zvučnika. Moguća su odstupanja od ovih preklopnih frekvencija u zavisnosti od:
- raspoloživih zvučnika i njihovih karakteristika
- dijagrama frekvencijske karakteristike zvučnika (dinamika)
- dijagrama impedanse zvučnika
- dijagrama fazne karakteristike zvučnika
- rezonantnih frekvencija zvučnika koje treba izbegavati u prenosnom području zvučnika
- zone maksimalne linearnosti zvučnika koju treba koristiti za preklopne frekvencije
- reda skretnice
- raspodela snage prema zvučnicima u zavisnosti od preklopne frekvencije
- namene zvučnih kutije - za prenos celog ili delimičnog zvučnog spektra

FREKVENCIJSKA_PODRUCJA

Poslednja kombinacija 2 zvučnika sa područjem 20÷500 Hz i 500÷20.000 Hz, predviđena je kao jedna od varijanti za trube (horne).


Merni dijagram prikazuje snimljene karakteristike dinamike i impedanse jednog nisko-srednjotonskog zvučnika (ne baš najboljeg) u zavisnosti od frekvencije.

Dinamika-impedanca

Prenosno područje zvučnika sa dijagrama frekvencijske karakteristike zvučnika je 90 dB +/- 2dB u rasponu od 90÷1700 Hz.

Deklarisana impedansa zvučnika od strane proizvođača iznosi 8 ohm, što predstavlja gornju granicu termogene otpornosti zvučnika pri dejstvu jednosmerne struje.
Sa dijagrama na osnovu impedanse (8 ohm +/-10%), vidi se da je zvučnik upotrebljiv od 100 do 450 Hz (linearna karakteristika zvučnika) i predstavlja veoma rigorozan stav po pitanju kvaliteta zvučnika - ili kvalitet zvučne kutije ili ništa. Ovo jeste nehumano po zvučnik, ali treba gledati šta se kupuje.
Cilj je da se impedansa zvučnika drži u stabilnim granicama termogenog opterećenja (do 8 ohm +/-10% u ovom primeru, ni manjom ni većom), izbegavajući reaktivna opterećenja (induktivna, kapacitativna) koja stvaraju fazne pomake (struja nije u fazi sa naponom) i uvećavaju tranzijentna izobličenja.
Cilj je da se impedansa zvučne kutije zadrži stabilnom u celom zvučnom spektru kako se ne bi remetile karakteristike pojačala - stabilnost rada i bez izobličenja.  
Na osnovu ovoga, ne može se koristiti zvučnik na frekvencijama gde je impedansa veća od deklarisane, što se može videti sa dijagrama impedanse, ako se želi kvalitet zvučne kutije.

Neželjeno dejstvo impedanse, ako se zvučnik koristi iznad frekvencija na kojima je impedansa veća od deklarisane, rešava se:
- srednjotonskim i visokotonskim zvučnicima sa originalnim feromagnetnim fluidom u magnetnom procepu (elektromagnetno prigušenje)
- kvalitetnim pojačalom sa velikim damping faktorom - nekoliko stotina i više (električno prigušenje)
- smeštanjem zvučnika u zatvorenu (nepropusnu) kutiju i kvalitetnim dampiranjem zvučnika - prigušni materijal iza zvučnika (akustičko prigušenje). Ne brkati sa dampiranjem kutije.

Linearnost karakteristike impedanse ostvaruje se Zobel filterom (jeftina nekvalitetna zamena za nedostatak kvalitetnih zvučnika) koji ispegla impedansu zvučnika naraslu iznad nominalne impedanse i omogući pravilan rad pojačala bez novih izobličenja ali stvori dodatne fazne pomake na zvučniku, koji nam ne trebaju. Pitanje je da li zaista dobijamo kvalitet koji smo umislili?

Kod 35 Hz imamo donju rezonantnu frekvenciju zvučnika oslabljenu 10 dB izvan prenosnog područja, što je povoljno.
Rezonantno uzdignuće niskotonskog zvučnika u zvučnoj kutiji zatvorenog ili otvorenog tipa, nije identično onom na dijagramu frekvencijske karakteristike samog zvučnika, nego se pomera ka višim frekvencijama, što se mora mernim testom tačno utvrditi.
Ako je rezonanca čujna, prigušenje rezonantnog uzdignuća ostvaruje se Notch filterom - dodavanjem rednog oscilatornog kola (R+L+C) paralelno sa zvučnikom. Za niskotonac filter se najčešće ne ugrađuje zbog velikih vrednosti kondenzatora, otpornika i kalema.
Ako je rezonantna frekvencija zvučnika izvan prenosnog područja zvučnika , u skladu prema slici "Amplitudna karakteristika Butterworth filtera" za određeni red skretnice (što nam mora biti pravilo u projektovanju), i ako zvučnik ima feromagnetni fluid (srednjotonac, visokotonac) u magnetnom procepu, Notch filter je nepotreban.
Kod zvučne kutije sa 1. redom skretnice (- 6 dB/okt) posvetiti pažnju ovim stvarima.
Paralelno oscilatorno kolo (R/L/C) spojeno redno sa zvučnikom, neće biti tretirano zbog mnogo mana koje poseduje, premda ih ni redno kolo ne nedostaje.

Energetski nivoi muzike u zavisnosti od raspona frekvencije i potrebne snage zvučnika koji nam treba, uslovljeni su odabirom preklopne frekvencije. Tabela prikazuje raspodelu snage do određene frekvencije.

Primer: Za trosmernu zvučnu kutiju od 200 W sa preklopnim frekvencijama 250 i 5.000 Hz, minimalna potrebna snaga zvučnika je:
- Niskotonac: ~40% (80 W)
- Srednjotonac: 93%-40%=53% (106 W)
- Visokotonac: 100%-93%=7% (14 W)

Da bi se dobila tačna snaga zvučnika sa dovoljnim stepenom sigurnosti, mora se izvršiti proračun u odnosu na proširenje opsega zvučnika za pojedine redove skretnice - videti sliku "Amplitudna karakteristika Butterworth filtera".

Ostalo

Za rad zvučne kutije bez izobličenja i preopterećenja, njena snaga mora biti duplo veća od snage pojačala. Zato što se maksimalni hod membrane Xmax, veoma lako igranjem sa tonskim kontrolama ili ekvilajzerom, prekorači (termičke i mehaničke granice) i oštete zvučnici. Povećanjem dinamike signala za 6 dB, hod membrane se udvostruči.

Pomeraj membrane za 1 Wat


duzina_kablova

I NA KRAJU

Projektovanje (idejno rešenje), konstruisanje (dimenzionisanje, oblici, materijali, karakteristike) i tehnologija (postupci izrade) zvučne kutije, predstavljaju sve drugo samo ne jednoznačan i predvidiv posao zbog velikog broja kontradiktornih zahteva, komplikovane materije, nelinearnih procesa, kompleksnih pojava između akustičko-električno-akustičkih pretvarača (mikrofon-pojačalo-zvučnik-čovek) i osećaja različitih fizičko-subjektivnih karakteristika svakog od nas. Objektivna merenja putem instrumenata mogu da nam otkriju skrivene mane i prikažu tehničke karakteristike, ali subjektivna merenja - izvežbano uho sa slušnim eksperimentima i korekcijama - može dati zadovoljavajući kvalitet zvučne kutije.
Kao i svuda kada se nešto novo pravi ili ponavlja proces pravljenja, i ovde važi narodna izreka - "Od lošeg materijala ne može da se napravi dobra pita".                                                               

Simfo orkestar RTS Narodni orkest RTS
Simfonijski orkestar i hor Radio televizije SRBIJA Narodni orkestar i hor Radio televizije SRBIJA
   
www.fininamotaji.in.rs