Za co kochamy linie transmisyjne I: Różnice pomiędzy wersjami

Wersja z 11:36, 21 lut 2021

Za co kochamy linie transmisyjne.

Wstęp.

Zamiar napisania tego tekstu powstał około października 2018 i wtedy powstał ten tytuł. Na wypełnienie treścią trzeba było poczekać kilka lat. Tekst ten jest w pewnej części kronikarsko sentymentalny. W dawnych czasach (mam tu na myśli lata 60-te) do słuchania muzyki służyły zwykle radioodbiorniki na ogół wyposażone w jeden szerokopasmowy głośnik, z którego dźwięk był łagodnie mówiąc pozbawiony niskich tonów. Oczywiście jest to jakieś „uśrednione” wrażenie bowiem nawet w erze odbiorników lampowych monofonicznych były takie gdzie basów było wystarczająco dużo. Wraz ze społecznym zapotrzebowaniem na mniejsze gabarytowo odbiorniki tendencja do słabych niskich tonów stawała się dominująca. Ta uwaga dotyczy także innych lampowych sprzętów grających takich jak gramofony czy magnetofony szpulowe. Trochę podobnych rozważań przedstawiono już wcześniej przy okazji wspomnienia o Chopinie (link) Tak czy inaczej w latach 70 o jakości „sprzętu” często decydowało brzmienie niskich tonów, co zresztą do dziś odgrywa niebagatelną rolę przy konstrukcji kolumn głośnikowych. Mnie udało się w gdzieś w środku lat 70 poodwiedzać trochę audiofilskich sklepów w Londynie. Relatywnie dobrze to pamiętam. W tamtych czasach sprzętem audio handlowały dwa duże sklepy „sieciowe” Lasky’s i Comet, których sprzedawcy bili się ze sobą w dziedzinie niekompetencji, z czego często dworowały branżowe czasopisma. Co do firm nazywanych umownie audiofilskimi, to funkcjonowaly one na zasadzie wcześniejszego umówienia z potencjalnym klientem. Miało to dwa uzasadnienia. Po pierwsze małe pomieszczenie „odsłuchowe” gdzie raczej trudno byłoby przyjmować większe grupkę gości. Po drugie (co wiąże się z pierwszym ) trzeba było zdeklarować co będzie się chciało wybierać i do jakiego sprzętu będzie się chciało ten wybór odnosić. O co chodzi ? Sprzedawca zestawiał na nasze żądanie „sprzęt marzeń”, do których odnosiło się elementy zestawu, których zakup wchodzi w grę. Rzecz jasna ten pierwszy zestaw stanowiący odniesienie (czyli angielskie „reference”) był zwykle nieprzyzwoicie kosztowny. Ten źródłosłów zadomowił się wśród wielbicieli żargonu, którzy wprowadzili do naszego języka termin „referencyjny”. Jako wiecznie głodny basów przybysz zza żelaznej kurtyny poprosiłem o takie kolumny i wtedy posłuchałem po raz pierwszy linii transmisyjnych IMF TLS 80, będących klasyką gatunku. Pamiętam wrażenie do dziś. Nie bardzo wtedy wiedziałem na jakiej zasadzie to działa, ale podobało mi się bardzo. Oczywiście posłuchaliśmy jeszcze trochę innych „sprzętów”, ale pozostawimy to jako temat na inne okazje.

Wspomniane kolumny wyglądały mniej więcej tak:

źródło www.usaudiomart.com

Poza dziwnym wyglądem i pokaźnymi rozmiarami moje zdumienie wzbudził głośnik niskotonowy KEF B139. W dalszej części być może jeszcze do niego wrócimy.

Chcemy tego czy nie to 80 TLS stały się symbolem linii transmisyjnej prawie w takim stopniu jak niegdyś elektrolux symbolem odkurzacza. Najłatwiej to sprawdzić zaglądając tutaj:

https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_line_loudspeaker

link zewnętrzny

Podstawy teoretyczne

Przedmiotowa obudowa „transmission line” nosi gwarową nazwę linia transmisyjna lub po prostu linia, choć ma oficjalną polską nazwę OBUDOWA LABIRYNTOWA (co wszakże nie do końca jest zgodne z zasadą działania) Obudowa taka bowiem, to nic innego jak rura, na której końcu umieszczono głośnik. Zgodnie z zasadami znanymi z budowy np. instrumentów dętych w takiej rurze powstanie fala stojąca o długości równej połowie długości emitowanej fali dźwiękowej. (stąd czasem pojawiająca się nazwa linia półfalowa) Oznacza to, że to, co zagra głośnik, w rurze odwróci się w fazie o 180 stopni i zostanie wyemitowane przez jej otwarty koniec. Ponieważ wiemy, że dźwięk w powietrzu rozchodzi się z prędkością ok. 344m/s to łatwo policzyć że dla częstości 100 Hz długość fali wyniesie 3,44 m a długość rury naszej (półfalowej) linii wyniesie 1,72 m. No, ale dla prawdziwego audiofila „złotym runem” jest wartość 20 Hz czyli rura pięciokrotnie dłuższa. To już oznacza dość niebezpieczne osiąganie absurdu o długości rury prawie 10m...

Nie pomoże nawet przyjęcie trudnego kompromisu 30 Hz zamiast 20 Hz, bo to nadal bez mała 6 metrów rury. Zbliżając się więc do rzeczywistości, robimy kolejne założenie, że nasza linia będzie ĆWIERĆFALOWA zamiast PÓŁFALOWEJ. W praktyce oznacza to, że kosztem utraty jakości dla ostatnio rozpatrywanej częstości nasza rura skurczy się o połowę, a to już niecałe 3m czyli wielkość dość realna.

Oznacza to że de facto linia będzie odpowiadała częstości 60 Hz natomiast przy niższych częstotliwościach będzie de facto „głęboką obudową otwartą” (Witort) I tu zbliżamy się do sedna: Założona dolna częstość powinna być równa lub nieco mniejsza od częstości rezonansowej wykorzystanego głośnika. Oczywiście postawienie w pomieszczeniu mieszkalnym bezkompromisowego audiofila rury o długości 2,9 m jest jak najbardziej prawdopodobne, zwłaszcza jeśli mieszka w budynku w którym developerzy jeszcze nie optymalizowali kosztów, ale.... rozsądniej byłoby tę rurę poskładać, tak jak poskładana jest rura fagotu (instrumentu o czynnej długości 2,4 m). Dzięki temu zabiegowi grający na nim muzyk może śmiało wsiąść do tramwaju z instrumentem ledwie 1,5 metrowym... Dzięki temu zabiegowi „połamana” rura zaczyna przypominać labirynt, którym podróżuje dźwięk.

Taka obudowa zyskuje nową nazwę i przy okazji staje się ustawna. A jak pisze klasyk „Dobrze wykonany labirynt o długości półfalowej może tworzyć obudowę o mniejszej objętości, niż obudowa z otworem o identycznej częstotliwości rezonansowej” (Witort). To prawda, ale.... przemilczeliśmy jeden szczegół. Upraszczając - jeśli otwarty koniec rury ma skutecznie promieniować, to powinien pewno mieć jakąś określoną powierzchnię i nie powinna ona być absurdalnie mała, podobnie jak w obudowie z otworem otwór nie powinien mieć średnicy szyjki od butelki. Temu zagadnieniu przyjrzymy się później (powiem kiedy :) ).

IMF 80 TLS to właśnie taka połamana rura, której wylot znajduje się na ścianie czołowej kolumny.

Jeszcze trochę teorii

Inni klasycy generalnie zgadzają się co do działania obudowy labiryntowej przy czym oddają po sprawiedliwości historyczne pierszeństwo kolumnie Stromberg Carlson o poziomym układzie przegród labiryntu. Badamajew pisze o labiryncie długim na 7 stóp (w wersji ćwierć falowej) dla uzyskania częstości rezonansowej 40Hz Konsekwentnie też nie używa nazwy Transmission Line. (Przy okazji stopa to 12 cali lub 1/ 3 jarda czyli 7 stóp to 9144 mm. Dodaje ponadto, że wstawienie do takiego labiryntu głośnika o wyższym rezonansie własnym np. 50Hz obniży jego rezonans w obudowie. Poprawi to emisję niskich tonów, ale kosztem liniowości charakterystyki.

Votum Separatum ?

Na tle powyższej teorii istnieje nieco inne podejście którego autorem jest guru od gramofonów i kolumn Matrin Colloms. Twierdzi on bowiem, że teoretycznie linia (labirynt) można wydłużyć do nieskończoności uzyskując doskonałe rozproszenie energii propagowanej przez tylną stronę membrany głośnika. A to oznacza nic innego tylko doskonałą realizację „nieskończonej ogrody” czyli obudowy zamkniętej. W praktyce przekrój kanału linii musi być stosowny dla przeniesienia energii i wystarczająco długi dla fali, którą chcemy wytłumić (zaabsorbować) Oznacza to że linia działająca dla częstotliwości 35 Hz powinna mieć co najmniej 8 m długości. W przekroju powinna mieć około 900 cm kwadratowych (co odpowiada z grubsza głośnikowi 36 cm średnicy) W rezultacie cała obudowa wypada z grubsza o objętości 720 litrów.

Problemem pozostaje wytłumienie szkodliwych harmonicznych, dlatego wytłumienie linni musi być przemyślane i odpowiednio starannie wykonane. I tu klasycy się zgadzają do wytłumienia powinno się użyć wełny owczej czesankowej, która ma własności zdecydowanie lepsze od np. wełny szklanej. Zastosowanie takiego materiału może przy niskich częstościach obniżyć znacznie prędkość dźwięku. W teorii linia powinna całkowicie wytłumić energię promieniowaną tylną stroną głośnika. Jeśli tak to fakt czy jej drugi koniec pozostanie otwarty, czy zamknięty nie powinno mieć znaczenia. No tak, ale to TEORIA W praktyce w pewnym zakresie częstości linia jest układem rezonansowym a opóźnienie dźwięku w linii powoduje (pożądane) odwrócenie fazy. W rezultacie dolna granica przenoszenia kolumny obniża się. Oczywiście masa powietrza poruszającego się w linii sumuje się z masą głośnika. W tradycyjnej obudowie masa powietrza jest niewielka zwykle do 20% masy głośnika. W otwartej linii transmisyjnej, to już masa porównywalna z masą głośnika, co obniża rezonans √ 2 (1,41) razy Ponieważ na to zjawisko ma wpływ prędkość dźwięku a na nią wpływ ma tłumienie przeto obliczenia dla linii „pustej” i wytłumione mogą się znacznie różnić. W praktycznych rozwiązaniach o rozsądnych rozmiarach zasadniczą rolę gra kompromis między dolną granicą odtwarzania niskich częstotliwości a minimalizacją szkodliwych wyższych harmonicznych. W przeciwieństwie do naszego rodzimego klasyka Colloms podsumowuje: „Ostatecznie, wyniki osiągnięte w linii transmisyjnej często nie są lepsze niż te, osiągane z obudowy bass reflex o takich samych wymiarach. W rzeczywistości koszt uzyskania podobnego skutku z obudowy bas reflex czy biernej membrany może nawet być korzystniejszy. Obecnie linie transmisyjne maja skuteczność poniżej średniej nieadekwatną do ich wielkości”

Bliżej praktyki czyli PRO9TL

Jak widać z poprzednich rozważań budowa obudowy labiryntowej jest bardziej skomplikowana niż najpopularniejszych obudów zamkniętych lub z otworem. To oczywiście pociąga za sobą rosnące koszty. Dobrym rozwiązaniem jest więc wykonanie takich obudów samodzielnie. Stosunkowo prostym rozwiązaniem jest przyjęcie układu przegród tworzących labirynt, który można określić jako typowy lub wręcz „klasyczny”. Jako przykład weźmy schemat opublikowany przez dr A.R. Baileya w Wirless World w roku 1965.

Wymiary na rysunku są orientacyjne proszę jednak zwrócić uwagę że tego typu obudowy mają z grubsza taką sama objętość i dość podobne gabaryty, o różnicach decyduje zaś rodzaj i ułożenie użytego głośnika niskotonowego.

Realizacja omawianych obudów autorstwa Chrisa Rogersa została dość dokładnie opisana w broszurze wydanej przez Badger Sound.

Najważniejsze myśli w niej zawarte wyglądają z grubsza tak:

źródło Wireless World 1965

Pełna nazwa projektu to PRO 9TL DOMESTIC MONITOR. Autor chce bowiem podkreślić różnicę między studio monitorami które mają za zadnie grać jak na warunki domowe GŁOŚNO. W konsekwencji przy niskim poziomie dźwięku mogą brzmieć „słabiej”. Monitory domowe graj ą w konkretnym otoczeniu gdzie warunki akustyczne mogą być krańcowo różne. Dlatego monitory domowe mają grać dobrze w otoczeniu domowym i powinny zapewnić poprawną pracę całego użytkowanego systemu audio.

Z różnych typów obudów z jakimi Rogers porównuje labirynt wskazuje (słusznie), że na pracę linii wpływ otocznia jest relatywnie najmniejszy.

Autor także odnosi się sceptycznie co do teorii o braku znaczenia czy wylot linii jest zamknięty czy otwarty wobec koncepcji „wygubienia” dźwięku w labiryncie.

Reasumując linia jest więc rurą rezonansową podobną do instrumentu dętego( o czym była już mowa wcześniej ) W układzie rezonansowym powstają anty- reznonansy. Szczególnie dokuczliwa dla jakości dźwięku będzie 5-ta harmoniczna, którą należałoby skutecznie tłumić.

Autor podaje też 4 czynniki mające wpływ na pracę linii.

Po pierwsze: długość linii obliczona teoretycznie jest mniejsza niż rzeczywista z powodu wirów występujących na wylocie linii I w interesującym nas zakresie częstotliwości korekta powinna wynieść średnio 6 cali.

Po drugie: Materiał tłumiący wpływa na prędkość dźwięku, ponieważ proces wyhamowania fali ciśnienia nie jest izotermiczny Dlatego w swoich rozważaniach Autor przyjmuje do obliczeń prędkość 305 m/s

Po trzecie wpływ tłumienia na oznaczaną zwykle Q dobroć układu drgającego czyli mocno upraszczając na skłonność układu do „wzmacniania” amplitudy w warunkach rezonansu. Nie wnikając za mocno w szczegóły pożądną wartością było Q = 0,6 (zwykle wynosi to ok. 0,8)

Po czwarte kwestia przekroju linii. W idealnym przypadku powinna mieć ona przekrój równy czynnej powierzchni głośnika niskotonowego. Często jednak mówi się, że linia powinna się zwwężać. Pomaga to z zwalczaniu anty-rezonansów, ale w nadmiarze pogarsza skuteczność odtwarzania niskich tonów.

Jeszcze bliżej praktyki

W oparciu o powyższe linia PRO 9TL prezentuje się z grubsza jak to przedstawiono na oryginalnym rysunku

Wedle założeń autora obudowa ma wymiary brutto 91,5 x 34,3x 44,5 cm Dla przypomnienia omawiane wcześniej kolumny to Bailey - 90 x 45 x40, IMF 80 TL - 98 x41 x46. Jak z tego widać kolumny o takim układzie przegród mają podobne wymiary a różnice wynikają głownie ze sposobu ułożenia głośników, głownie zaś z ułożenia KEF B139, który łączy te konstrukcje i jak wiadomo nie jest okrągły 

Wracając do PRO 9TL to znając już wymiary popatrzmy zmierzmy jak teoretycznie wygląda jego długość.

Rysunek

Po przeliczeniu długość całkowita linii to 2,3 metra (7, 563 stóp). Ponieważ wprowadziliśmy poprawkę co do prędkości dźwięku to dla tej długości uzyskujemy częstotliwość 33 Hz . Rozważając przekrój kanału doświadczenie wykazało, że wlot do linii powinien wynosić 50% więcej niż powierzchnia głośnika wylot zaś powinien być powierzchnią równy powierzchni głośnika.

Szkodliwe antyrezonanse występują w miejscach oznaczonych na rysunku przez X. Logiczne jest zatem aby te miejsca były szczególnie wytłumione, co powinno obniżyć poziom szkodliwej harmoniczne (wedle założenia ) o 3 dB. Oczywiście miejsce tłumienia to nie wszystko należałoby jeszcze sprecyzować co to za materiał. W tym miejscu korzystamy w wiedzy wspomnianego już wcześniej dr, A.R Baileya z Uniwersytetu w Bradford. Najlepiej użyć naturalnej wełny o długim włosiu i gęstości ¾ funta na stopę sześcienną czyli ok. 13g na litr

Na rysunku pozostawiono ilości wełny w uncjach 

Kolejnym zagadnieniem jest tłumienie ścianek. Generalnie istnieją tu dwie szkoły. Pierwsza mówi o tym aby ścianki zrobić tak sztywne, aby nie rezonowały a druga, aby owe rezonanse tłumić Ze względu na przegrody w środku konstrukcja obudowy jest sztywna, zwłaszcza duże boczne ściany są solidnie podparte, ale tak czy inaczej większe powierzchnie należałoby wytłumić. Wyspecjalizowanym tworzywem do tego są „bitumicznie laminowane panele filcowe” W latach 70 tych w Zjednoczonym Królestwie występowały w handlu w odcinkach 8,8 x 10,5 cala  Takie panele nie tylko tłumią ścianki ale i zapobiegają „wyciekaniu” dźwięku przez ścianki, co jest zjawiskiem marginalnym ale jednak występującym. W kolumnie PRO 9TL autor szczególnie troszczy się o przegrody wewnetrzne, które są wykonane z cieńszego materiału – 12 mm.

Miejsce naklejenia filcowych paneli pokazuje kolejny rysunek

Zastosowane głośniki

Jak widać z dotychczasowych rozważań wszystkie prezentowane dotąd konstrukcje używają głośnika Kef B139. Ponieważ nie czujemy się jakoś szczególnie związani z tym produktem w wersji “spolsczonej” używaliśmy całkiem innych głośników. Ponieważ konstrukcja ta była (i jest) dość popularna w gronie zaprzyjaźnionych fanów linii to wiemy (słuchaliśmy) wielu różnych wykonań. Jak się okazuje konstrukcja jest wysoce “elastyczna” i nawet dość spore odstępstwa od sugerowanego toku rozumowania czy toku obliczeń nie powodują jakiegoś szczególnego uszczerbku na dźwięku. Osobiście odpaliłem, co najmniej kilkanaście par takich kolumn (o budowie przypominającej opisane powyżej konstrukcje). Przykłady omówię później (powiem kiedy). Co do głośników średniotonowych, to jest z tym pewien problem sprowadzający się do dwu zagadnień:

Po pierwsze głośnik niskotonowy w linii jest przez zwrotnicę odcinany stosunkowo nisko. W konstrukcjach na Kef B139 związane jest to z nietypową konstrukcją tegoż głośnika. Jak wiadomo za membranę robi tam klocek ze styropianu, co skutecznie niweluje zjawisko dzielenia się membrany sprzyjające propagacji tonów średnich. Dlatego częstotliwość podziału w PRO 9TL wynosi 460 Hz. Aby głośnik średniotonowy mógł podjąć pracę tak nisko musi mieć odpowiednią powierzchnię i zdolność do propagowania niskiego środka a to wiąże się z jego rozmiarami. Oczywiście jeśli głośnik dobrze gra w regionie niskiego środka niekoniecznie musi tak czynić w zakresie wysokiego środka. Dlatego głośnik użyty w PRO 9TL też jest podzielony stosunkowo nisko bo 3,4 KHz To z kolei narzuca wymagania na wysokotonowy... Może się więc okazać, że ni stąd ni z owąd kolumna zrobi się czterodrożna... Skomplikuje to co prawda zwtornicę, ale uwolni nas od wielu ograniczeń zwłaszcza w dziedzinie odtwarzania tonów średnich. Po drugie umieszczenie głośników trzeba jednak dobrze przemyśleć. Głośniki średniotonowe muszą być osłonięte od tyły, a to może dość ograniczyć przekrój końcowego fragmentu kanalu. Oczywiście można w kolumnie nadbudować nad zasadniczą częścią labiryntu komorę na głośnik (głośniki średniotonowe, ale to zwiększy wydatnie gabaryty i tak już dużej konstrukcji.

W praktyce najrozsądniej jest pozostawić w ściance czołowej tylko głośnik niskotonowy i niespiesznie, a przy tym solidnie poeksperymentować z doborem pozostałych głośników grających eksperymentalnie poza obudową. Dla tych, którzy z podjęciem decyzji maja kłopot, pozostaje w końcu możliwość zamontowania np. kilku tweeterów z przełącznika. One bowiem akurat zwykle mieszczą się w tunelu linii łatwo, a miejsca na ściance czołowej raczej nie zabraknie...

Kwestia głośnika niskotonowego. Dawno, dawno temu miała miejsce taka oto sytuacja. Robiliśmy jakieś eksperymenty spędzając mile czas na porównywaniu głośników. Z barku lepszych pomysłów wyjęliśmy z kolumny zbudowanej na prawie najlepszym głośniku świata czyli Tonsil GDN 30/60 wkładając w jego miejsce prawie najpopularniejszy głośnik estradowy czyli GDS 30/15 (lub może 30/30). To się nie powinno udać w końcu rezonanse własne tych głośników zasadniczo się różnią... Okazało się jednak, że uzdrowicielskie działanie linii tak „uśrednia” funkcjonowanie głośnika, że zabrzmiało to w sposób całkiem akceptowalny. Płynie stąd wniosek, że do doboru głośnika niskotonowego do linii nie jest zagadnieniem w praktyce tak trudnym jak wynikałoby to z teorii. Oczywiście zapamiętaliśmy to doświadczenie niespecjalne się nim chwaląc. Dla dodatkowego utrudnienia wyjaśnienia zjawiska dodam tylko że także impedancje podmienianych głośników też były różne, a więc zwrotnica też łagodnie mówiąc nie funkcjonowała tak jak trzeba... Dziwne, ale jednak się zdarzyło 