Hangszóró választás - 1. rész

2006. január 18., módosítva: 2020. április 29.

A hangszóró felépítése

A hangszóró felépítésének taglalását eredetileg el akartam kerülni, de mégis muszáj kicsit beszélni róla, mert annyi helyen hivatkozok rá. Nekem sem volt minden tiszta, hiszen nem gyártom, hanem használom őket. Szerencsére Pázmándi Laci segített, hogy minden a helyére kerüljön - így legalább már nekem is tisztább lett a kép.

Az ábrán egy elektrodinamikus hangszóró metszetének mórickarajza látható. Jelen esetben egy teljesen hagyományos dinamikus hangszóróról van szó. A hangszóró "motorja" a vasmagból/pólusvasból [1], a mágnesből [2], a fedőlapból [3], a tekercsből/csévéből [4] és a csévetestből [5] áll (ez utóbbi kettőt hívják együttesen lengőcsévének). A hangszóróban a vasmag, a mágnes és a fedőlap létrehoz egy nagyon erős fix mágneses teret a légrésben, ahol a lengőcséve is található. A csévetesthez hozzá van rögzítve a membrán [10], melyet a kosárhoz [7] rögzített pille [6] és a membrán perem [11] központosít, így a lengőcséve a légrésben csak előre és hátra tud mozogni. Az erősítő kimeneteit a hangszóró csatlakozóira [9] kötve az elektromos áram a bevezető szálon [8] keresztül eljut a tekercsbe, mely a légrés fix mágneses terében a bemenő jeltől függő váltakozó irányú és nagyságú mágneses erőt hoz létre. Ez az erő a vonzás-taszítás szerint elmozdítja a tekercshez rögzített csévetestet, ami mozgásba hozza a rá erősített membránt. A membrán közepén található porvédő sapka [12] megakadályozza a szennyeződések bejutását a légrésbe.

Frekvencia átvitel, érzékenység, impedancia, teljesítmény

A hangszórók kiválasztása már a tervezés egyik fázisa, ezért a hangolással illetve a hangváltóval kapcsolatban is előre kell tervezni. A szimulációs szoftverek ebben nagy segítséget jelentenek, ezeket már a keresés közben is érdemes használni. A szimulációhoz azonban elengedhetetlenül fontos, hogy rendelkezésre álljanak a hangszóró gyártói mérései és paraméterei.

Egy hangszórót nagyon sok paraméter ír le. A legfontosabb mind közül a frekvencia átviteli görbe.

180°120°60°-60°-120°-180°100 Hz1 kHz10 kHz70 dB75 dB80 dB85 dB90 dB95 dB100 dB

A görbe vízszintes tengelyén a frekvencia (logaritmikus skálán), függőleges tengelyén a hangnyomás szerepel (dB-ben). A grafikon a hangszóró által fix bemenő feszültség hatására keltett hangnyomását ábrázolja a frekvencia függvényében. A mérőjel alapesetben a hangszóró névleges impedanciáján 1 W teljesítményhez tartozó feszültségszint. A szaggatott vonal a hangszóró fázismenetét ábrázolja. A fázisról bővebben egy későbbi bejegyzésben olvashatsz.

A mérést általában IEC mérőtáblában végzik, ami egy 1,35 × 1,65 méteres lap (az eltérő mérési körülményeket normális esetben külön feltüntetik). A méréshez a hangszórót a mérőtáblán közepre építik és szintbe süllyesztik. A mérőtábla mellékhatása egy kb. 3 dB-es kiemelés a frekvencia átvitelben 100 Hz körül. Az így mért átvitel nagyon jó képet ad a dobozba épített hangszóró viselkedéséről 300 - 400 Hz felett. Ezalatt a Thiele/Small (ld. később) paraméterekből számolt átvitel az irányadó.

A hangszóró hasznos frekvencia átvitelének tartományában mérhető hangnyomás (frekvencia átvitel görbe) egyetlen számra átlagolt értéke az érzékenység.

Tapasztalati úton azt állapították meg, hogy a fül kb. 3 dB hangnyomás növekedést érzékel határozottabban hangosabbnak és kb. 10 dB-t kétszeres hangerőnek. Elektromos oldalon 3 dB növekedéshez dupla teljesítmény, 10 dB-hez tízszeres teljesítmény szükséges. 100 dB hangnyomás eléréséhez egy 80 dB / 1 W érzékenységű hangszórónál 100 W, egy 90 dB / 1 W-osnál 10 W, míg egy 100 dB / 1 W-osnál csupán 1 W szükséges.

A távolság duplázásával a hangnyomás 6 dB-lel csökken. Az a rendszer, ami 1 m távolságban 90 dB hangnyomást állít elő 2 m távolságban mérve 84-et, 4 méteren pedig már csak 78-at tud.

A hangszórót meghajtó erősítő szempontjából fontos paraméter az impedancia. Az impedancia diagram a hangszóró ellenállását ábrázolja a frekvencia függvényében.

180°120°60°-60°-120°-180°100 Hz1 kHz10 kHz0 Ω5 Ω10 Ω15 Ω20 Ω25 Ω30 Ω

Van egy csúcs a rezonancia frekvencián (a diagramon 40 Hz-nél), majd a ennek "elcsendesülése" után elkezd emelkedni (ez a csévére tekercselt drót hatása). Az impedanciát a hangszóró beépítetlen állapotában mérik. Az impedancia görbének passzív hangváltó tervezésekor lesz jelentősége.

A névleges impedancia 80 %-ánál a hangszóró impedanciája a hasznos frekvencia átviteli tartományában sehol sem lehet alacsonyabb. A görbén ábrázolt hangszóró esetén a névleges impedancia 8 Ω. Ezt a szabályt persze nem minden gyártó tartja be...

Az impedanciával szorosan összefügg a teljesítmény. A hangszórót rövidebb / hosszabb távon károsodás nélkül legfeljebb ekkora bemenő teljesítménnyel lehet terhelni (terhelhetőség). A név sokakat félrevezet, hiszen egy hangszórónak nem szokás mérni az akusztikai teljesítményét. A hangszóró legnagyobb kimenő hangteljesítményét az érzékenység és a terhelhetőség együttesen definiálja.

Közép- és magassugárzók esetén a terhelhetőséget gyakran a teljes rendszerre és egy keresztezési frekvenciára vonatkoztatva adják meg, pl. 100 W 3 kHz 12 dB / oktáv. Ezt úgy kell értelmezni, hogy a teljes hangspektrumot lefedő szélessávú 100 W-os (általában rózsazaj) terhelés esetén 3 kHz-es másodrendű szűrővel nem károsodik a hangszóró. A szűrőkről bővebben a hangváltóknál olvashatsz.

A terhelhetőségnek elsősorban a hangszóró rossz hatásfoka (η) szab gátat. Egy átlagon felüli, 92 dB / 1 W érzékenységű hifi hangszóróé alig 1 % és egy kiváló, 102 dB / 1 W érzékenységű professzionális hangosításra készített hangszóróé is csak 10 %. A bemenő teljesítmény 99 illetve 90 %-a egyszerűen hővé alakul a hangszóró tekercsén. Ha ez a veszteséghő nem tud elég gyorsan távozni a cséve túlmelegszik, a ragasztások megolvadnak és a lengőcséve szétesik vagy a tekercsben használt drót átég (szakadás). Hogy melyik következik be előbb az a lengőcsévében használt anyagoktól függ.

A hangdoboznak terhelhetőség és impedancia tekintetében illeszkednie kell az azt meghajtó erősítőhöz. Minden erősítőnek van egy gyártó által megadott minimum terhelő impedanciája, ami alá nem szabad menni, mert a túl nagy áramok miatt tönkremehet. Ha az erősítő "4 ohmos", akkor arra nem szabad 4 ohmnál alacsonyabb impedanciájú hangdobozt kapcsolni. Ha az impedancia nagyobb, attól az erősítőnek nem lesz baja, csak a kivehető teljesítmény csökken (dupla impedancia = fele teljesítmény). A teljesítménynél pont fordítva kell eljárni, a hangszóró terhelhetősége legyen nagyobb, mint az erősítő teljesítménye az adott impedancián.

Thiele/Small paraméterek

A feltalálóik után elnevezett Thiele/Small, röviden T/S paraméterek segítségével modellezhető a hangszóró hangdobozba épített mélyfrekvenciás átvitele.

A szabadon mért rezonancia frekvencia (Fs) a beépítetlen hangszóró saját rezonanciája, mely megegyezik az impedancia görbe legmagasabb csúcsához tartozó frekvenciával. Minél alacsonyabb ez az érték, annál jobb mélyátvitel várható. Egy "tipikus" mélyközép sugárzó rezonancia frekvenciája jellemzően a 40 - 50 Hz, a mélysugárzóké a 25 - 35 Hz tartományban mozog.

Az ekvivalens térfogat (Vas) a hangszóró felfüggesztésének engedékenységével megegyező engedékenységű levegő térfogata. Azonos membrán átmérőt feltételezve minél nagyobb a Vas, annál érzékenyebb a hangszóró (amihez nagyobb dobozméret is tartozik).

A hangszóró teljes jósága (Qts) a hangszóró csillapítottsága a rezonancia frekvencián. Minél kisebb a paraméter értéke, annál kisebb a hangszóró érzékenysége a mélytartományban (a saját rezonancia erősen csillapított). Általánosan elfogadott tény, hogy zárt dobozba a 0,4 - 0,7, reflex dobozba a 0,4 alatti Qts kedvező. Ettől persze el lehet térni, ha a felhasználási terület úgy kívánja (a hangolásról itt olvashatsz bővebben).

Ez a három paraméter önmagában használható a várható mélyfrekvenciás átvitel modellezésére. Az alsó határfrekvencia/dobozméret/érzékenység kompromisszum a számok szintjén ebben a három paraméterben jelenik meg. Alacsony Fs, magas Vas és "optimális" Qts = jó érzékenység + nagy doboz; alacsony Fs, alacsony Vas = alacsony érzékenység + kis doboz. Egy hangdoboz mélyfrekvenciás átvitelét persze sokféleképpen lehet hangolni, bizonyos hangszórók egész tág határok közötti dobozméretet képesek tolerálni (nyilván eltérő alsó határfrekvenciával és mélyfrekvenciás érzékenységgel). Ha már kellően sok hangszórót átfuttattál szimulátoron, a paraméterekről "ránézésre" látni fogod, mire számíthatsz egy adott hangszórótól.

A teljes jóság a mechanikus jóság (Qms) és az elektromos jóság (Qes) replusz értéke. Előző a hangszóró mechanikus felépítéséből (felfüggesztés rugalmassága, membrán tömege, csillapítottsága, mozgó tömeg), utóbbi a hangszóró "motorjának" erejéből (mágneses tér nagysága a légrésben, tekercs által létrehozott mágneses erő nagysága) fakadó csillapítás. Általában megfigyelhető, hogy a Qms Qts-hez képest magas, ezért a Qts elsősorban Qes-től függ. A hangszóró teljes jósági tényezőjét alapvetően a "motor ereje" határozza meg.

Az engedékenység (Cms) a felfüggesztés rugalmasságát méri. Minél kisebb ez a szám, annál "keményebb" a felfüggesztés. Alapvetően a 0,3 - 0,4 alatti Cms-sel rendelkező hangszórók számítanak ilyennek, ezeknél a membrán megmozdítása (beépítetlen állapotban) kézzel érezhetően nehéz. Cms ellentéte az Rms, a hangszóró felfüggesztésének mechanikus ellenállása.

A mozgatott tömeg (Mms) egy komplex paraméter, mely a mozgó mechanikus tömeget (Mmd) és az általa mozgatott levegőt tartalmazza. Alacsony érték esetén könnyű a membrán, jó közép/magasfrekvenciás átvitel és érzékenység várható gyengébb mélyátvitel mellett. Az ellenkező oldalon a nagy tömegű membránnal szerelt hangszórók állnak, ami kimondottan a mélysugárzókra jellemző (alacsony rezonancia frekvencia).

Az erőtényező (B × L) a membránt mozgató motor ereje. Minél nagyobb az érték, annál jobb érzékenység és tranziens viselkedés várható (persze csak akkor, ha a mozgatott tömeg nem aránytalanul nagy).

A hangszóró impedancia diagramja az egyenáramú ellenállás (Re vagy Rdc) és az induktivitás (Le) paraméterek segítségével modellezhető közelíthetően. Létezik egy pontosabb modell is, ami további két paramétert (Re2 és Le2) használ. Ennek passzív hangváltó tervezésekor van jelentősége amennyiben nem áll rendelkezésre mért impedancia görbe.

Fizikai tulajdonságok

A csévetest átmérője az angolszász hagyományokból adódóan legtöbbször a coll-os méreteket követi. Minél nagyobb a csévetest, annál nagyobb a terhelhetőség. A csévetest a hőelvezetésben legaktívabban résztvevő alkatrész, mivel ez az egyetlen összetevő mely közvetlen fizikai kapcsolatban áll a csévével.

A csévetest anyaga manapság általában alumínium, ami jó kompromisszum hővezetés / tömeg / ár hármasban. Hagyományos anyag a papír, mely rossz hővezető képessége miatt mára már visszaszorult. Használnak még - jellemzően a magasabb kategóriás hangszórókban - kaptont, üvegszálat és sokféle egyéb anyagot is. Egy 1 collos alumínium csévetestre tekercselt mélyközép hangszórótól reálisan tartósan 40 W körüli terhelhetőség várható el.

Bár a csévetestnek nem kellene hangot adnia, mivel mozgó alkatrész ez elkerülhetetlen. Az alumínium rezonáns anyag, ezért sokkal inkább hajlamos bizonyos frekvenciákon rezonálni, mint mondjuk a papír.

A hangszóró hangkeltő eszköze a sugárzó felület (Sd), ami túlnyomórészt a membrán felszínéből áll. A nagyobb sugárzó felület nagyobb hangnyomást állít elő ugyanakkora elmozdulás hatására, mint egy kisebb, hiszen több levegőt mozgat meg. A maximális lineáris kitérésnél kisebb membránelmozdulás esetén a cséve változatlan erőtérben marad. A legtöbb hangszórónál a membrán kiléphet ebből a tartományból (növekvő torzítás árán), azonban soha nem lépheti túl a maximális mechanikus kitérést (Xmech). A hangdobozt úgy kell megtervezni, hogy a megszólaltatott frekvencia tartomány és terhelés hatására Xmech-et soha ne érje el.

Gyengén specifikált hangszórók

A korrekt tervezéshez és hangszóró választáshoz az összes fent felsorolt paraméter fontos. Személyes jótanácsom, hogy óvakodj az olyan hangszóróktól, ahol a gyártó csak a "jól kommunikálható" paramétereket közli. Egy tipikus példa amikor az adatlapon semmilyen átviteli görbe nincs és csak az alábbi semmitmondó paraméterek közlésére szorítkoznak:

  • Teljesítmény, legtöbbször ráadásul gyanúsan nagy;
  • Frekvencia átvitel tartományként, "tól-ig" megadva;
  • Impedancia egyetlen számmal megadva;
  • Mágnes tömege;
  • Hangszóró tömege;
  • Csévetest, kosár anyaga.

A fenti adatok mindegyikére jellemző, hogy a hangszóró hangjáról semmit nem tudunk meg és a tervezéshez semmilyen segítséget sem nyújtanak. Egy ilyen hangszóró megvásárlása vakrepülés, a vásárlás után mindenképpen mérni kell és csak utána derül ki, használható-e egyáltalán bármire.

A hangszórók fizikai vizsgálata

Talán triviálisnak tűnik, de felhasználás előtt meg kell vizsgálni a hangszórók fizikai állapotát. Lehetnek szállítási sérültek vagy akár csak simán gyártási hibásak (ha pedig használtak, akkor bármi lehet). Én az alábbiakat szoktam - az esztétikai hibákon túl - ellenőrizni:

Mechanikai ellenőrzések

  • Kosár: ne legyen sehol elgörbülve.
  • Forrfülek: legyenek stabilak, a bevezető szál rendesen legyen megforrasztva.
  • Membrán, perem: ne legyen szakadt, repedt, horpadt. Különösen figyelni kell a habosított perem állapotára, ami idővel elporlad.
  • Ragasztások (kónuszos hangszóróknál, ahol hozzáférhető): legyen stabil, körben egyenletes. Ne legyen ráfolyva a pillére, membránra, egyéb mozgó alkatrészekre.
  • Kónuszos mély- és közép hangszóró esetén a cséve nem súrolhat. A porvédő tövében kétoldalt egyenletes erővel nyomva a cséve nem érhet hozzá a légréshez. Csak annyira nyomd be a membránt, amennyire deformáció nélkül lehet, de annyira mindenképpen. Utána egyik oldalon is megnyomkodom, ekkor egy idő után súrolhat (ez normális), de ennek szimmetrikusnak kell lennie: az ellentétes oldalon is ugyanekkora elmozdulásnál kell súrolnia.
  • Szimmetria: a membrán és a perem legyen szimmetrikus, legyen egyenesen beépítve a kosárba. A membránt a porvédő tövénél két oldalt benyomva mindkét oldalon azonos mértékben kell a peremnek engedni.

Ha a hangszóró a mechanikai vizsgálaton nem ment át, az nem feltétlenül jelenti azt, hogy használhatatlan, egy ragasztó megfolyás lehet, hogy semmilyen érzékelhető problémát nem fog okozni. Nyilván ha szakadt a perem, az azért elég komoly baj. :)

Elektromos és akusztikus ellenőrzések

  • Egyenáramú ellenállás mérése multiméterrel: nem lehetnek nagy eltérések azonos hangszórók közt. Ne legyen se zárlatos, se szakadt a cséve. Duplatekercses hangszórónál minden tekercset meg kell mérni.
  • Impedancia menet ellenőrzése: ha az előző teszten átment a hangszóró, érdemes megmérni az impedancia menetét. Nem lehetnek túl nagy eltérések az azonos modellek közt. Különösen figyelni kell az impedancia meneten megjelenő kisebb-nagyobb csúcsokra, főleg, ha az csak egyes példányoknál jelentkezik. Ez a lengőrendszer problémájára utalhat.
  • Mély és mélyközép hangszórókat meg lehet küldeni doboz nélkül. Nem szabad túlzásba esni, de nyugodtan el lehet menni a mechanikus kitérés közeléig. Itt azokra a zajokra kell figyelni, amik a "motorból", a lengőrendszerből jönnek. Érdemes a hanganyagot csak a mélytartományra korlátozni (pl. egy 100 Hz körüli aluláteresztő szűrővel), így jobban hallatszik a motorzaj. Minden hangszórónál van ilyen, de a mértéke eltérő. Azonos modell példányainak azonos hangerőnél egyforma mennyiségű zajt kell produkálnia.
  • Súlyos rezonanciák: szinusz jellel meg kell hajtani egy fülre nem túl kényelmetlen hangerőn a hangszórót a rezonancia frekvencia 1/4-étől (különösen a magassugárzókra kell vigyázni). Ha a hang valamely frekvencia tartományban feltűnően torzít vagy "fémessé" válik, valószínűleg a hangszóró lengőrendszerével problémák vannak. Jellemzően a magassugárzóknál ez központosítási hibára utal (a cséve nincs pontosan a légrés közepén, esetleg akár súrol is).

Némelyik tétel triviális lehet, de nem szabad átugrani egyiket sem. Találkoztam már ferde kosárral (nem szállítási sérülés miatt), ferdén beszerelt lengőrendszerrel, súrló csévével és rosszul megragasztott membránnal is. Szerencsére ezek a durva hibák azért elég ritkák, de léteznek és nem is feltétlenül noname termékeknél. Használt 2x4 ohmos mélyláda egyik tekercsén is mértem már 0,5 ohmot. Magassugárzóknál sajnos gyakori a központosítási probléma. Ha a hangszóró szétszedhető, akkor ezt meg lehet próbálni utólag korrigálni, de ha nem, akkor csak a garancia segíthet. Ezért is érdemes megbízható kiskereskedéstől vásárolni.

A gyári adatok megbízhatóságáról

Ez egy nagyon kényes téma, de muszáj róla beszélni. Néhány hangszóró mérésén túl vagyok már és ez alapján úgy tűnik, hogy a gyártó által megadott Thiele-Small paramétereket mindenképpen érdemes fenntartásokkal kell kezelni gyártótól függetlenül. A Vifa TG9FD-10-04-eseknél pl. átlagban Fs = 169 Hz (gyári adat 113 Hz) és Qts = 1,08 (gyári adat: 0,83), a Monacor SPH-100C-nél Fs = 58 Hz (gyári adat: 50 Hz), Qts = 0,77 (gyári adat: 0,44) a saját mérésem szerint... Qts szinte mindig rosszabb, mint amit a gyártó ígér. Nincs mindig nagy eltérés, pl. a Hertz EV F165.5 gyári adatai Fs = 80 Hz, Qts = 0,8 és a dobozból kivéve tudnak Fs = 89 Hz, Qts = 0,94-et átlagban. Ezekről elhiszem, hogy egy alapos bejáratás után nagyjából hozni fogják a gyári paramétereket.

Nem hiszem, hogy a neves gyártók szándékosan csalnának, inkább csak arról van szó, hogy az adatlapon mért "mérnöki" példányt nem sikerül reprodukálni tömeggyártásban. Az általam tapasztalt jelentős T/S paraméter eltérések viszont erősen kétségbe vonják az egész mélyfrekvenciás szimuláció értelmét. A gyári adatok alapján térfogatot és a csőhosszt centizgetni ilyen szórás mellett teljesen felesleges.

A frekvencia átviteli görbe többnyire korrekt, ott ha trükköznek, azt elsősorban átlagolással, a diagram "okos" skálázásával vagy a görbe vastagságával teszik, de nem hinném, hogy "belejavítanának" a diagramba. Ezekkel a méréssekkel csak annyi a probléma, hogy dobozba építve a frekvencia átvitel jelentősen változni fog, ezért így is, úgy is meg kell mérni és a gyári mérést tényleg csak tájékoztató adatként érdemes kezelni.