Efekty dyfrakcyjne w zestawach głośnikowych

Kształt obudowy zestawów głośnikowych to nie tylko kwestia estetyki, ale przede wszystkim ważne zagadnienie techniczne. Pośród wielu zjawisk zależnych od kształtu skrzynki ważną rolę ogrywają efekty dyfrakcyjne. W tej grupie można wyróżnić dwa zagadnienia. Jedno to schodek dyfrakcyjny (ang. baffle step), czyli 6-decybelowe wzniesienie na charakterystyce przenoszenia. Następne zjawisko to zafalowania na charakterystyce przenoszenia powstające z powodu dyfrakcji na poszczególnych krawędziach w pobliżu głośników. Tym drugim zagadnieniem zajmiemy się w niniejszym artykule.

Zjawiska dyfrakcyjne w kolumnach

Krótki opis samego zjawiska dyfrakcji znajduje sie w naszym słowniku (odnośnik). Efekty dyfrakcyjne powstają na krawędziach skrzynki znajdujących się w pobliżu głośników, na wklęsłych uskokach czy na elementach wystających. Krawędź, do której dociera fala dźwiękowa z głośnika można w uproszczeniu potraktować jako dodatkowe źródło dźwięku. Przy czym krawędź krawędzi nierówna. Fala akustyczna powstająca w wyniku dyfrakcji jest zależna od kształtu krawędzi. Dźwięk z krawędzi dociera do słuchacza nieco później niż dźwięk z głośnika. Zależnie od różnicy poziomów i od różnicy fazy pomiędzy sumowanymi falami dźwiękowymi zmienia się charakterystyka przenoszenia. Występuje tu analogia z sumowaniem dźwięku bezpośredniego i dźwięku odbitego od ścian. Jeśli fale nałożą się z taką samą lub podobną fazą będziemy mieli na charakterystyce wzgórek, a jeśli nałożą się z odwrotną (lub zbliżoną do odwrotnej) fazą będziemy mieli dołek. Efekt finalny będzie wynikał z sumowania efektów dyfrakcyjnych ze wszystkich krawędzi.

Dyfrakcja na pomiarach i w symulacjach

Efekty dyfrakcyjne wyraźnie wpływają na bezechowe charakterystyki przenoszenia. W pomiarach publikowanych w prasie i w katalogach producentów kolumn zjawisko to jest jednak często maskowane na różne sposoby. Dyfrakcja zostanie zamaskowana jeśli publikowana charakterystyka powstaje poprzez uśrednienie kilku pomiarów zrobionych w różnych miejscach lub też jeśli charakterystyka jest mierzona w pomieszczeniu, łącznie z odbiciami. Często spotykane jest też zwykłe wygładzanie charakterystyki, co powoduje znaczne spłaszczenie dość ostrych w swej naturze zafalowań dyfrakcyjnych. Przy pojedynczym, bezechowym pomiarze charakterystyki przenoszenia na osi, w typowych kolumnach widoczne są obydwa omówione wyżej zjawiska. Wystąpi zarówno globalny wzrost, czyli schodek dyfrakcyjny związany wielkością całej ścianki, jak również zestaw wąskopasmowych szczytów i dolin związanych odległościami głośników od poszczególnych krawędzi. Przykłady pomiarów ilustrujących to zjawisko można znaleźć między innymi na witrynie www.linkwitzlab.com.

Dyfrakcyjne wzniesienia i dołki można też przewidywać przy pomocy oprogramowania symulacyjnego. Na symulacjach zafalowania charakterystyki są generalnie bardziej uwypuklone niż na pomiarach.

Jak ważne są zafalowania dyfrakcyjne

Jak można zobaczyć na przykładowych pomiarach, skala zafalowań dyfrakcyjnych jest duża. Osiągane są szczyty czy doliny o wielkości kilku decybeli. Czy w subiektywnym odbiorze efekty dyfrakcyjne będą aż tak bardzo słyszalne jak by się można spodziewać po kształcie wykresów?

Podejście do dyfrakcji jest zróżnicowane, zarówno wśród autorów fachowych publikacji, profesjonalnych konstruktorów jak i amatorów konstruujących zestawy głośnikowe. Wiele osób bagatelizuje znaczenie wąskopasmowych zafalowań dyfrakcyjnych. Na rynku jest dużo zestawów głośnikowych, w których nie zastosowano żadnych specjalnych środków dla zredukowania dyfrakcji. Co więcej, zdarzają się i takie zestawy, których forma wręcz sprzyja uwypuklaniu efektów dyfrakcyjnych. Własne doświadczenia doprowadziły nas do przekonania, że należy projektować obudowy zestawów głośnikowych tak by zminimalizować efekty dyfrakcyjne.

Pierwszy powód, dla którego zalecamy taką praktykę nie jest bezpośrednio związany ze słyszalnością omawianych tu efektów. Dyfrakcyjne zafalowania deformują charakterystyki przenoszenia, co powoduje utrudnienie interpretacji wyników pomiarów i w konsekwencji utrudnia sam proces projektowania.

Zdecydowanie odradzamy próby elektrycznego kompensowania dyfrakcyjnych wzgórków czy dołków na charakterystyce - jest to poważny błąd. Tego typu elektryczne kompensacje wymagają stosowania układów o dużej dobroci i w nieunikniony sposób przyniosą negatywne wyniki.

Według naszych doświadczeń zjawisko jest słyszalne, przynajmniej w tych przypadkach, gdy efekty dyfrakcyjne są mocno uwypuklone z powodu błędów lub niedopatrzeń w projekcie.

Złe praktyki zwiększające dyfrakcję

Czasami projektanci chcą poprawić wyrównanie czasowe głośników, lecz nie są gotowi zaakceptować kosztów i komplikacji wykonania skrzynki o bardziej wymyślnie wyprofilowanych ściankach. Zamiast tego stosuje się więc schodkowe przesunięcie głośników w płaszczyźnie przód-tył. Schodkowe przesunięcia wprowadzają jednak dodatkowe krawędzie. Względy estetyczne mogą skłonić do zastosowania okrągłych lub kwadratowych elementów do realizacji schodkowego przesunięcia. Tego typu rozwiązanie jest błędem projektowym. Kwadratowe i okrągłe krawędzie wokół głośników tworzą najbardziej wyraźne efekty dyfrakcyjne. Zjawiska dyfrakcyjne spowodowane przez takie ukształtowanie obudowy będą słyszalne.

Mniej rażącym i mniej kłopotliwym zaniedbaniem jest takie usytuowanie głośnika wysokotonowego, że jego centrum jest jednakowo odległe od krawędzi górnej oraz dwóch krawędzi bocznych. Tego typu konfigurację można zastosować bezwiednie przez nieuwagę.

Zaokrąglone krawędzie

W celu zredukowania dyfrakcji można wykorzystać zaokrąglone krawędzie. Zaokrąglenia muszą jednak być odpowiednio duże aby przyniosły korzyści. Spotykane często zaokrąglenia o promieniu rzędu 1 cm są zbyt małe, aby poprawić charakterystyki i należy je traktować tylko jako zabieg estetyczny. Jako minimum powinniśmy przyjąć wartość promienia zaokrąglenia około 3 cm, przy czym jeszcze większy promień będzie korzystniejszy. Wykonanie takich zaokrągleń na wszystkich krawędziach może doprowadzić do znacznego zwiększenia gabarytów skrzynki, zwłaszcza jej szerokości. Godne uwagi jest jednak rozwiązanie kompromisowe polegające na zaokrągleniu jednej krawędzi. To też przyniesie istotną redukcję efektów dyfrakcyjnych.

Przesunięcia głośników

Przesunięcie miejsca zamocowania głośnika względem krawędzi co prawda nie redukuje dyfrakcji jako takiej, ale zmienia układ dyfrakcyjnych gór i dolin. Złamanie symetrii rozmieszczenia głośników jest niemal zawsze korzystne. Co istotne, jest to zabieg darmowy, a poza tym przesunięcia nie muszą być wcale duże aby przyniosły korzyści. Jeśli zadbamy o to aby odległości głośnika wysokotonowego od najbliższych krawędzi były różne to uzyskamy rozproszenie efektów dyfrakcyjnych w szerszym paśmie. Technika ta jest mniej istotna dla głośnika średniotonowego, ale i w tym przypadku warto ją stosować.

Materiały tłumiące

Można też wykorzystać do redukcji efektów dyfrakcyjnych materiały tłumiące. Przy czym inaczej niż w przypadku pieścieni naklejanych nieraz wokół głośników wysokotonowych, w tym przypadku trzeba skupić uwagę na krawędziach skrzynek. Zarówno wady jak i zalety tego rozwiązania mają charakter pozatechniczny. Z pewnością pojawią się liczne zastrzeżenia co do estetyki. Z drugiej strony mamy takie zalety jak niski koszt i łatwość aplikacji.

Jak traktować elementy o małych rozmiarach

Efekty dyfrakcyjne występują także na bardzo małych elementach, nawet na łbach wystających wkrętów. Mając do dyspozycji dobry sprzęt można to nawet mierzyć. Nie oznacza to jednak, że każda najdrobniejsza krawędź czy nierówność powierzchni musi budzić nasz niepokój. Jeśli element jest odpowiednio mały, to jego wpływ można pominąć. Dotyczy to choćby wspomnianych łbów od śrub czy wkrętów. W przypadku kolumn złożonych z osobnych modułów to samo można powiedzieć o drobnych wgłębieniach na łączeniu modułów. Jeśli takie łączenia nie są sztucznie powiększone to ich rozmiar będziemy liczyć w pojedynczych milimetrach, co jest wystarczająco małą wartością.

Przykład prostego w realizacji zmniejszenia efektów dyfrakcyjnych. Jedna krawędź jest zaokrąglona. Montaż głośników jest niesymetryczny względem krawędzi przedniej ścianki.

W tym miejscu trzeba też omówić sprawę sposobu montażu głośników. Zdecydowana większość głośników jest montowana w ten sposób, że wokół otworu na głośnik jest też podfrez na kosz czy też na przednią płytkę. Dzięki temu zamontowany głośnik jest zlicowany z powierzchnią ścianki. Ale stosuje się też prostszą technikę montażu - czyli otwór bez podfrezu. Wówczas sam kosz głośnika tworzy lekko wystającą krawędź. Ale grubość typowego kosza to pojedyncze milimetry. Efekty dyfrakcyjne nie będą więc szczególnie istotne. Powszechne stosowanie praktyki montażu głośników z podfrezem ma głównie znaczenie estetyczne i tylko w mniejszym stopniu techniczne.

Podsumowanie

Redukcję dyfrakcji można wykonać na wiele różnych sposobów. Każda metoda z osobna daje szerokie spektrum opcji do wyboru, a bardzo często można też stosować różne metody jednocześnie.

Do sprawy można podejść zarówno w sposób bardzo prosty jak i bardzo zaawansowany. W najprostszym wariancie można bez poważniejszych badań czy specjalnych pomiarów zastosować asymetryczne względem krawędzi miejsca mocowania głośników. Do tego można też dodać zaokrąglenie jednej z krawędzi i w ten sposób uzyskać znaczącą poprawę. Można też przeprowadzić obliczenia, wykonać prototypy i pomiary, a następnie pieczołowicie optymalizować rozmiary, proporcje i krzywizny.

Co istotne, nawet najprostsze wymienione powyżej rozwiązania pozwalają skutecznie zmniejszyć wpływ zjawisk dyfrakcyjnych na działanie zestawów głośnikowych. Warto je stosować.