Električne karakteristike zvučnika

Glavne električne karakteristike dinamičke zvučničke jedinice jesu njegova električna impedansa u funkciji frekvencije. Može da se prikaže iscrtavanjem na grafikonu, poznatijem kao kriva impedanse.

Objašnjenje

Najčešći tip zvučničke jedinice jeste elektro-mehanički aktuator koji koristi pokretni kalem kruto povezan na membranu zvučnika koja je najčešće konusnog oblika. Drugi tipovi zvučnika imaju sličnosti, ali se razlikuju u detaljima između njihovog akustičnog okruženja i električnih svojstava.

Zvučnički kalem u zvučnicima sa kretnim kalemom je ovešen u magnetnom polju koju stvara magnetska struktura zvučnika. Struja protiče kroz kalem (od pojačala), magnetno polje koju stvara kalem reaguje sa stalnim magnetnim poljem magneta i kalem se pomera (a sa njim i membrana zvučnika). Naizmenična struja pomera kalem napred-nazad.

Rezonanca

Deo zvučnika koji može da se pomera (uključujući membranu, vešanje membrane, pozicioner kalema i sam kalem) ima određenu masu i krutost. Ovo se najčešće poistovećuje sa jednostavnom masom koja je obešena o oprugu koja ima određenu rezonantnu frekvenciju na kojoj će sistem najslobodnije vibrirati.

Ova frekvencija zvučnika se naziva "rezonancija u slobodnom prostoru" i označena je sa F_s. Na ovoj frekvenciji, kalem vibrira sa maksimalnom amplitudom i brzinom, povratna elektromagnetna sila koju stvara kalem u megnetnom polju je takođe maskimalna. Ovo izaziva efektivnu vrednost impedanse zvučnika da bude u svom maksimumu na F_s i po prirodi je induktivna.

Na rezonanciji, impedansa je čista rezistansa i nakon nje, dok impedansa opada, impedansa postaje kapacitivna. Impedansa dostiže minimum (Z_min) na nekoj frekvenciji gde se ponaša skoro (ne sasvim) samo kao rezistansa na nekom opsegu. Impedansa zvučnika koja se tvrdi od strane proizvođača (Z_nom) je dobijena iz ove Z_min vrednosti(pogledati ispod).

Nakon tačke Z_min impedansa je opet većinom induktivna i raste postepeno. Frekvencija F_s i frekvencije iznad i ispod nje gde je impedansa jednaka Z_max/√2 su bitne za određivanje Til/Smol parametara zvučnika koji mogu da se koriste pri dizajniranju odgovarajuće zvučničke kutije za zvučničku jedinicu, posebno za zvučnike niskih frekvencija. Primetite da je F_s jedan od T/S parametara zvučnika.

Impedansa zvučnika i pojačala

Promene impedanse zvučnika je bitna stavka pri dizajniranju audio pojačala. Sem drugih stvari, pojačala koja su dizajnirana da izdrže takve promene su pouzdanija. Postoje dva glavna faktora koja treba razmotriti kada se uparuje zvučnik sa pojačalom.

Minimalna impedansa

Ovo je minimalna vrednost u odnosu impedanse i frekvencije, koja ponekada može da bude malo veća od jednosmerne otpornosti kalema koja se dobija merenjem sa ommetrom. Minimalna impedansa je značajna jer što je manja impedansa, mora da postoji veća struja unutar kalema pri istom naponu. Izlazni uređaji pojačala su specificirani na određenu maksimalnu vrednost struje, i kada se ona premaši, uređaji se često pokvare.

Nominalna impedansa

Zbog reaktivne prirode impedanse zvučnika kroz audio frekventni opseg, davanje jedne impedanse zvučniku je u principu nemoguće, što može da se vidi posmatranjem impedanse u odnosu na frekvencije na slici iznad. Nominalna impedansa zvučnika je zgodna jednobrojna referenca koja otprilike opisuje vrednost impedanse zvučnika na većem delu audio opsega. Nominalna impedansa zvučnika je definisana sa:

$Z_{\mathrm {nom} }=1.15\cdot Z_{\mathrm {min} }$

Grafik iznad pokazuje krivu impedanse jednog zvučnika u vazduhu (nije postavljen u kutiju). Kućni haj-faj zvučnički sistem se najčešće sastoji od dve ili više zvučničke jedinice, audio skretnice koja deli signal po opsegu frekvencija i šalje ih do odgovarajućih zvučnika. i kutije u kojoj su sve ove komponente postavljene. Krive impedanse takvog sistema može da bude vrlo kompleksna, i jednostavna formula iznad nije lako primenljiva.

Nominalna impedansa koja je specificirana za komercijalne zvučničke sisteme može da pomogne pri odabiru odgovarajućeg zvučnika za dato pojačalo (ili obratno). Ako kućno haj-faj pojačalo specificira 8 Oma ili veći električni otpor, pažnja treba da se obrati da se ne koriste zvučnici sa nižom impedansom, što bi izazvalo da se od pojačala traži da daje više struje od vrednosti za koju je dizajnirano. Korišćenje 4 Omskog zvučnika na pojačalo koje specificira 8 Oma ili više, može da dovede do kvara pojačala.

Fazni ugao impedanse

Promene impedanse opterećenja sa frekvencijom se prevode u fazne promene između napona i struje na izlazu pojačala. Za rezistivno opterećenje, najčešće (ali ne uvek) napon na izlazu pojačala je maksimalan kada je struja u minimumu (i napon je minimalan na opterećenju), i obrnuto, i kao rezultat disipacija snage u tim uređajima je najmanja. Ali zbog kompleksne i promenljive prirode zvučnika/skretnica i njihovog efekta na fazni odnos između napona i struje, struja neće obavezno biti u svom minimumu kada je napon na izlazu maksimalan - ovo rezultuje povećanom disipacijom u izlaznom stepenu pojačala koje se manifestuje kao grejanje njegovih izlaznih elemenata. Fazni ugao se najviše menja blizu rezonancije u zvučnicima sa pokretnim kalemom. Ako se ova stavka ne uzme u obzir tokom dizajniranja pojačala, pojačalo može da se pregreje što će izazvati njegovo isključivanje, ili kvar na izlaznim elementima. Pogledati faktor snage za više detalja.

Problemi prigušivanja

Zvučnik se ponaša kao generator kada se kalem pomera u magnetnom polju. Kada se zvučnički kalem pomera u odgovoru na signal iz pojačala, kalem indukuje struju koja se opire signalu pojačala i ponaša se kao "kočnica" koja teži da zaustavi kretanje kalema. Ovo se zove povratna elektromagnetna sila. Efekat kočnice je kritičan pri dizajniranju zvučnika, tako da se inženjeri trude da iskoriste ovaj efekat kako bi brzo zaustavili membranu zvučnika i da se kalem nalazi na mestu spreman da proizvede naredni zvuk. Električni signal koji se indukuje u kalemu putuje nazad kroz kablove do pojačala. Dobro dizajnirana pojačala imaju malu izlaznu impedansu tako da ovaj povratni signal ima mali efekat na pojačalo.

Tipično su pojačala sa tranzistorima u izlaznom stepenu imala mnogo manju impedansu od cevnih pojačala. Toliko da su razlike u praksi između nominalno 16 Omskog i nominalno 4 Omskog zvučnika bile beznačajne da bi se zbog njih menjala topologija pojačala. Faktor prigušivanja (odnos izlazne impedanse (pojačala) prema ulaznoj impedansi (kalem zvučnika)) je adekvatan u bilo kom slučaju za dobro dizajnirana pojačala.

Cevna pojačala imaju značajno višu izlaznu impedansu tako da ona normalno sadrže transformator sa više sekundara kako bi se bolje prilagodila impedansni zvučnika. Zvučnici sa 16 Oma (ili zvučničke jedinice) bi se povezivale na 16-Omski sekundar, 8 Omski zvučnik na 8 Omski sekundar, itd...

Ovo je značajno jer odnos između impedanse zvučnika i impedanse pojačala na određenoj frekvenciji daje prigušenje (apsorbuje energiju) povratne elektromagnetne sile koju stvara zvučnik. Ovo je u praksi značajno da bi se sprečilo zvonjenje koje je u osnovi slobodno vibriranje pokretne strukture zvučnika kada je on pobuđen (kada se napaja signalom) na toj frekvenciji. Ovo može lako da se vidi u vodopad dijagramu pri merenju zvučnika. Dobro prilagođen faktor prigušenja može da kontroliše ove slobodne vibracije pokretne strukture i poboljša zvuk zvučnika.

Vidi još

• Til/Smol parametri
• Audio skretnica
• Aktivni zvučnici

Literatura

• Designing, Building, and Testing Your Own Speaker System with Projects by David B.Weems (McGraw-Hill/TAB Electronics, ISBN 978-0-07-069429-3)
• Loudspeakers, Dynamic, Magnetic Structures and Impedance EIA RS-299-A standard

Spoljašnje veze

• Article about effect of speaker impedance on amplifiers
• Essay on variations in loudspeaker impedance
• Explanation of loudspeaker impedance