Reprodukce zvuku aneb základy teorie

7. července 2014
TWEET SDÍLET
Vše má svá pravidla – i reprodukce zvuku. Pokud chcete blíže pochopit vlastnosti reprosoustav, určitě se seznamte s teorií.

Teorie reprodukce zvuku je rozsáhlá. Dovolte mi velmi zjednodušeně pomoci vám do taje této teorie proniknout a seznámit se alespoň v hrubých základech s jejími zákonitostmi. V podstatě jde o základy fyziky a matematiky podané snad ve srozumitelné podobě. Na našich stránkách by měly následovat dvě části této teorie: v první části jde o čistou teorii reprodukce, v druhé části se zaměříme obecně na pomoc při nákupu reprosoustav, zejména aktivních. Dále, v případě zájmu, budeme pokračovat poslechovými testy kvalitnějších aktivních reprosoustav.

Co slyšíme

Zvuk je mechanické vlnění, které lze popsat rovnicí λ=c/f , kde c je rychlost zvuku (ve vzduchu 345m/s), f frekvence a λ délka vlny. Člověk v podstatě sluchem analyzuje rychlé změny tlaku vzduchu a je schopen vnímat tyto změny v rozsahu frekvencí 20 Hz–20 000 Hz, tedy dle výpočtu délky vlny od 17 m do 1,7 cm.

Kromě základní vlnové rovnice popisuje zvuk i mnoho dalších, nás ale bude zajímat už jen jedna. Tou je ta, která popisuje hlasitost, resp. hladinu akustického tlaku: SLP= 20log (Pa /P0), kde SLP je hladina akustického tlaku, Pa akustický tlak a P0 akustický tlak, který už naše ouška nedokážou rozpoznat a je ticho. Je to hodnota cca 20 µPa. Uši mají úžasný rozsah a dokážou poznávat akustický tlak od 20 µPa do 10 Pa, což jsou podle rovnice hladiny od 0 dB do 120 dB. Samozřejmě ne na všech slyšitelných frekvencích, nejcitlivější je sluch na středních kmitočtech. Citlivost sluchu pro jednotlivé frekvence je uvedena na grafu, tzv. křivek stejné hlasitosti.

Klepněte pro větší obrázek
Křivky stejné hlasitosti

Tímto malým okénkem do fyziky jsme si v podstatě definovali dva hlavní požadavky na reproduktorové soustavy, musí umět převézt elektrický signál na mechanický a to v rozsahu frekvencí 20–20000 Hz a špičkovou hlasitostí blížící se 120 dB. Jsou to požadavky náročné, je však možné učinit ve výběru či stavbě reprosoustav technické kompromisy. Míra těchto kompromisů je na každém z nás, o designu reprobeden nemluvě.

Reprosoustavy jsou tedy zařízení určené k reprodukci zvuku. Pokud uvažujeme domácí poslech, zvuk vzniká převodem ze zesíleného elektrického signálu na pohyb vzduchu v místnosti. Hlavní součásti reprosoustavy jsou samotné reproduktory a ozvučnice. Reproduktor je elektroakustický měnič, ozvučnice je ta bedna, ve které jsou reproduktory osazeny. Reproduktor jako takový tvoří zvuk, ozvučnice zabraňuje tzv. akustickému zkratu a optimalizuje přenos zejména nízkých kmitočtů.

Jak jsme si již v prvním odstavci naznačili, pro věrnou reprodukci je třeba reprosoustavou vyzařovat frekvence od 20 Hz do 20 kHz, což je, jak si dále ukážeme, pro jeden reproduktor problém, hlavně z hlediska velikosti membrány, její výchylky a rychlosti. Proto existují specializované reproduktory pro basy, středy a výšky. Jejich kombinací a elektrickým rozdělením frekvencí reproduktorovou výhybkou pro jednotlivé měniče lze vytvořit reprosoustavy s plnohodnotným frekvenčním rozsahem. Existují proto dvou, tří i vícepásmové konstrukce, kde bývá výhybka velmi důležitou (ne-li přímo klíčovou) součástí.

Konstrukce měničů

Co se týká reproduktorů existuje opravdu mnoho konstrukčních systémů, mezi ty nejpoužívanější patří elektromagnetický systém s kuželovou membránou a s kalotovou membránou. Tyto dvě konstrukce si dále blíže popíšeme.

Elektromagnetický systém reproduktoru je založen na principu silového působení na kmitací cívku umístěnou v silném magnetickém poli. Síla je dále přenášena na membránu, způsobuje její pohyb a tím i pohyb okolního vzduchu. Membrána je buď ve tvaru komolého kužele nebo kulového vrchlíku (kaloty). Kuželové membrány jsou používány u basových a středobasových reproduktorů, dnes již výjimečně u výškových, kaloty užíváme u reproduktorů středových a výškových. V obou případech je žádoucí pevná a lehká membrána. Na obrázku je základní popis elektrodynamického měniče s kuželovou membránou.

Klepněte pro větší obrázek
Schéma - řez reproduktorem: 1. horní závěs membrány, 2.  membrána, 3. cívka, 4. pólové nástavce magnetu, 5. otvor v magnetu, 6. prachovka, 7. koš reproduktoru, 8. spodní závěs membrány

 

Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek 
Basový reproduktor s kuželovou membránou. Výškový reproduktor s kalotovou membránou

Na tomto místě je, myslím, vhodné uvézt jeden zajímavý vzoreček Pa=0,859*S2*X*f4, kde Pa je akustický tlak, S plocha membrány, X výchylka membrány a f frekvence. Dle vzorce je patrné, co jste již určitě vypozorovali v praxi a sice, že basové tóny potřebují pro stejný akustický tlak velké membrány s relativně velkou výchylkou. Reproduktorová ozvučnice, jak již bylo naznačeno výše, má hlavní účel v zamezení akustického zkratu, tzn. oddělení přední a zadní akustické vlny reproduktoru, kterou vyzařuje jeho membrána, tak aby nedošlo k jejich částečnému vyrušení. Dále má ozvučnice za úkol optimalizovat vyzařování basových frekvencí, v neposlední řadě působí také jako ochrana basových reproduktorů. Opět existuje mnoho typů ozvučnic, základně je dělíme na uzavřené a otevřené.

Ozvučnice otevřené a uzavřené

Mezi nejznámější a nejpoužívanější patří otevřená ozvučnice typu basreflex. Basreflexová ozvučnice se liší od uzavřeného typu tím, že má v sobě díru, lépe řečeno kus trubky. Proč tam je? Velmi zjednodušeně řečeno sladěním rezonančních frekvencí reproduktoru a basreflexového nátrubku dojde k posílení basů. Ale jen nad naladěnou frekvencí basreflexu, pod touto frekvencí je rychlost poklesu frekvenční charakteristiky 24dB/oktávu na rozdíl od uzavřené ozvučnice, kde je pokles jen 12dB/oktávu. Protože fyzika je neúprosná, ozvučnice reprosoustavy, která reprodukuje nejnižší slyšitelné kmitočty je poměrně velká, na plné přenesení 30 Hz je potřeba alespoň 10“ basový reproduktor v přibližně 60-90l ozvučnici. Pokud možno měla by být ozvučnice z akusticky mrtvého materiálu, ideální jsou sendvičové konstrukce.

Klepněte pro větší obrázek
Frekvenční charakteristika uzavřené ozvučnice
Klepněte pro větší obrázek 
Frekvenční charakteristika basreflexové ozvučnice

Účelem reproduktorové výhybky je frekvenční rozdělení signálů pro jednotlivé měniče –reproduktory. Výhybku tedy použijeme výhradně pro vícepásmové systémy. Nejjednodušším příkladem je dvoupásmová konstrukce, kdy výhybka rozdělí signál pro středobasový reproduktor a výškový reproduktor a máme tedy následně dvoupásmovou reprosoustavu.

Každá výhybka je složena z dolní propusti, horní propusti a v případě vícepásmové reprobedny ještě z pásmové propusti. U třípásmové konstrukce tedy dělíme signál na dvou místech, řekněme obvykle na kmitočtech 750 Hz a 2,5 kHz. Hlavní rozdělení výhybek je na pasivní a aktivní resp. dle použití v nevýkonné a výkonné části systému. Takže pasivní reprosoustava obsahuje výkonovou výhybku, která dělí signál už zesílený v externím zesilovači, kdežto aktivní reprosoustava rozdělí signál ještě před zesílením a jednotlivá pásma pak mají svůj vlastní zesilovač, který je obvykle součástí reprosoustavy.

Aktivní či pasivní?

Výhoda aktivního řešení je v lepší „kontrole“ basových reproduktorů, možnosti použití nižšího dělícího kmitočtu pro basy a menší náročnosti na koncové zesilovače z dílčích hledisek, taky možnost užití strmějších filtrů bývá výhodou. Mezi nevýhody patří obvykle větší šum celé konstrukce a nutnost napájet ze sítě každou aktivní reprobednu zvlášť. Při řešení reproduktorové výhybky musí výrobce vyřešit dva hlavní problémy, stanovení dělící frekvence a strmosti dělících filtrů, což nejvíce ovlivní použité reproduktory. Dále obvykle výhybky obsahují různé kompenzace pro lepší sladění použitých reproduktorů např. upravení jejich citlivostí či impedančních průběhů.

Na následujícím grafu je měření frekvenční charakteristiky špičkové, klasicky řešené, pasivní, dvoupásmové basreflexové reprosoustavy, resp. samostatně jejich reproduktorů a basreflexového nátrubku. Je zde jasně patrný dělící kmitočet 2 kHz a pravděpodobně jsou strmosti filtrů 12dB/oktávu. Basreflex je naladěn na cca 43 Hz, do rezonanční frekvence celého systému.

Klepněte pro větší obrázek
Frekvenční charakteristika reprosoustavy

Tolik teorie reprodukce ve zkratce. Spoustu důležitých informací jsme neprobrali, jako je například, impedance, citlivost či fázová charakteristiká reprosoustav, vliv kabeláže či umístění reprobeden v prostoru, berte ale tento úvod jako velké zjednodušení problematiky reprodukce zvuku. Podrobněji se k těmto aspektům se vrátíme. K bližšímu podrobnějšímu poznání případným zájemcům však určitě doporučuji např. odborné publikace a články Dr. Bohouše Sýkory, uznávaného elektroakustického guru v ČR.

Témata článku: Hi-Fi

Určitě si přečtěte

Quadral Breeze blue XL: bohatý zvuk v elegantním balení (test)

Quadral Breeze blue XL: bohatý zvuk v elegantním balení (test)

Aktivní reproduktory jsou v současné době zajímavým řešením ozvučení malých i větších prostor. Výrobci totiž zvládnou zkombinovat design, vysoký výkon a v mnoha případech také několik různých vstupů.

10 Petr Březina

DLNA: snadné přehrávání filmů z PC v TV

DLNA: snadné přehrávání filmů z PC v TV

Ve světle reflektorů je dnes sice Chromecast, ale každý internetový televizor podporuje i protokol UPnP a DLNA, na které se občas zapomíná. Dělají podobnou věc trošku jinak.

25 Jakub Čížek

Jak zobrazit displej mobilu na televizoru (Miracast)

Jak zobrazit displej mobilu na televizoru (Miracast)

Dostat obraz z mobilního telefonu bezdrátově do televizoru je snadné, jen musíte splnit pár nutných podmínek.

55 Tomáš Holčík

10 tipů na levný televizor se skvělým poměrem cena/výkon

10 tipů na levný televizor se skvělým poměrem cena/výkon

Připravili jsme výběr nejzajímavějších televizorů s výborným poměrem cena/výkon. Od těch menších a velmi levných, po ty vybavenější a větší, které se však stále vyplatí.

88 Jaromír Puk

Panasonic PMX90/ PMX92: nový Hi-Fi mikrosystém s podporou Hi-Res Audia a Bluetooth

Panasonic PMX90/ PMX92: nový Hi-Fi mikrosystém s podporou Hi-Res Audia a Bluetooth

Mikrosystémy Panasonicu řady PMX se pravidelně objevují v našich tipech na nejlepší produkt své třídy k nákupu, a to již několik let za sebou.

8 Jaromír Puk

Philips 55OLED903/12: 4K OLED TV s Ambilightem a zvukem od Bowers & Wilkins [test]

Philips 55OLED903/12: 4K OLED TV s Ambilightem a zvukem od Bowers & Wilkins [test]

Pokud doma nechce něco tuctového, tak Philips si pro vás připravil lahůdku. OLED televizor, u kterého dodala vzhled a obraz, o zvuk se tentokrát postarala legendární audiofilská firma Bowers & Wilkins, která vyrábí reprobedny i pro zvuková nahrávací studia. Není však naprosto pro každého. Proč, to se dozvíte dále.

20 Alexandr Bray

14 tipů na bezdrátová sluchátka s nejlepším poměrem cena/výkon

14 tipů na bezdrátová sluchátka s nejlepším poměrem cena/výkon

Bezdrátová sluchátka už dokážou nabídnout kvalitní zvuk, dlouhou výdrž. Vybrat si můžete z dostupných modelů kolem tisíce korun, ti náročnější si rádi připlatí nejen za kvalitnější zvuk, ale i za aktivní potlačení okolního hluku.

31 Jaromír Puk

Alita: Bojový Anděl – spojení Jamese Camerona a Roberta Rodrigueze [recenze filmu]

Alita: Bojový Anděl – spojení Jamese Camerona a Roberta Rodrigueze [recenze filmu]

Akční sci-fi s dívčí hrdinkou, která v bojových konfrontacích poznává svůj osud i své nepřátele. Fotorealistické provedení této hrdinky smazává rozdíl mezi hercem a CGI postavou a působí přesto velmi emotivně.

4 Marek Čech