Jak zaprojektować zwrotnicę głośnikową?

Poprzednie wpisy w temacie:
Zwrotnica dwudrożna 18db na oktawę. Tonsil ZG15C, GDN 16/10 i GDW 9/60
Czy zwrotnica uniwersalna to dobry wybór?
Jak zwrotnica głośnikowa dzieli pasmo akustyczne?

Jak zaprojektować zwrotnicę?

Co zrobić gdy nie ma się pojęcia o projektowaniu zwrotnic i nie dysponuje żadnym sprzętem pomiarowym? W internecie i literaturze można przeczytać, że bezpiecznym w takim przypadku rozwiązaniem będzie skorzystanie ze zwrotnicy trzeciego rzędu, która jest mniej wrażliwa na parametry głośników czyli przyjmując podział na 4kHz można się spodziewać, że rzeczywisty podział nie będzie zbyt odległy od zakładanego.

Z uwagi na konieczność użycia większej liczby elementów (6) niż w przypadku zwrotnicy drugiego (4) lub pierwszego rzędu (2) minusem rozwiązania są wyższe koszty. Zwrotnica trzeciego stopnia jest wrażliwa na parametry elementów. Nie należy ich zmieniać, a to oznacza, że o ile cewki indukcyjne można kupić o dowolnej wartości to w przypadku kondensatorów aby uzyskać pożądaną wartość może zaistnieć potrzeba ich łączenia co jeszcze bardziej zwiększy koszty i rozmiary zwrotnicy.

Głośnik GDN 16/10 wykazuje podbicie w okolicach 5kHz natomiast wg zaleceń producenta głośnika GDW 9/60  nie należy ciąć poniżej 3kHz co oznacza, że wybór częstotliwości podziału na poziomie 4kHz jest dobrym kompromisem. Jednocześnie obliczone kalkulatorem wartości kondensatorów są bliskie typoszeregu i można zastosować 3,3μF, 6,7μF oraz 10μF ograniczając koszty.

W przypadku kiedy potrzebujemy wyższej częstotliwości podziału dobrym wyborem będzie 4800Hz. Uzyskane wartości kondensatorów są bliskie:  2,7μF, 5,6μF oraz 8,2μF. Podział na 4800Hz jest zalecaną częstotliwością dla aktualnie produkowanych głośników kopułkowych Tonsila jak np. GDWK 10/80/19 czy GDWK 10/80/26. Tak wysoka częstotliwość podziału wskazuje, że są to głośniki przewidziane do stosowania w zespołach trójdrożnych i w dwudrożnych mogą wykazywać deficyty. 

Zwrotnica dwudrożna podział 4800Hz

Głośnik i stromość zbocza podziału

Do tej pory mówiliśmy o zwrotnicy 18db/oktawę czyli takiej, po zastosowaniu której głośnik w odległości jednej oktawy od pasma podziału przestaje być zauważalnie słyszalny. Dla porównania przeanalizujmy użycie zwrotnicy pierwszego stopnia o spadku 6db/oktawę. W jakich punktach widma dźwiękowego obie zwrotnice zrównają się ze sobą dla przyjętego podziału na 4000Hz? Prześledźmy:

• głośnik wysokotonowy zagra 6db ciszej na poziomie 2000Hz, 12db ciszej na poziomie 1000Hz i 18db ciszej dopiero na poziomie 500Hz
• głośnik niskotonowy zagra 6db ciszej na poziomie 8000Hz, 12db ciszej na poziomie 16000Hz i 18db ciszej dopiero na poziomie 32kHz
  

W praktyce żaden z wymienionych głośników nie ma tak szerokiego pasma pracy w tym pasma pracy poprawnej.

Częstotliwość rezonansowa głośnika wysokotonowego GDW 9/60 deklarowana przez producenta to 1500Hz. Zgodnie ze sztuką konstruktorską rozpowszechnianą w wielu źródłach częstotliwość podziału dla głośnika wysokotonowego nie powinna być niższa niż oktawa powyżej częstotliwości rezonansowej przy założeniu, że jest to filtr minimum drugiego stopnia 12db/oktawę. Rzeczywiście dla tego głośnika producent zaleca wartość podziału nie niższą niż 3kHz. Stosując filtr pierwszego stopnia 6db/oktawę minimalną wartością będzie 6kHz. W przypadku filtracji pierwszym stopniem producent zwykle stosował kondensator 2,2μF.

Głośnik GDN 16/10 nie jest już produkowany, a jego parametry znane są jedynie z internetowych "opowieści", które mówią, że pracuje on poprawnie do okolic 5kHz gdzie pojawia się podbicie, a dalej szybki spadek sprawności. "Cięcie" na poziomie 2,5kHz nie jest możliwe z uwagi na parametry zastosowanego głośnika wysokotonowego. Z kolei na poziomie 8000Hz raczej nie będzie już pracował z powodu własnych ograniczeń mechanicznych.

Na tym prostym przykładzie zwrotnicy dwudrożnej widać dobrze jak wielkim ograniczeniom poddawani są producenci nawet najlepszych zestawów głośnikowych. Podsumowując z punktu widzenia ekonomiki można użyć lepszych głośników (droższych) i mniej skomplikowanej zwrotnicy (tańszej) lub odwrotnie natomiast po tanich głośnikach i taniej zwrotnicy nie należy się spodziewać dobrego dźwięku.

Wniosek jaki płynie dla konstruktora to zachowanie rozsądnej proporcji pomiędzy kosztami użytych głośników, elementów zwrotnicy i obudowy. Pozwoli to uzyskać najlepszy dźwięk przy najmniejszych kosztach. Czy powinno to być po 1/3? Nie wiem, ale prawdopodobnie w tej okolicy.