Fascynacja komplikacją - część 2
Nie wszystkie konstrukcje (głośnikowe) T+A były i są oparte na działaniu linii transmisyjnej, jednak nazwa serii Criterion trwale kojarzy się z tym rozwiązaniem, doskonalonym przez firmę już od roku 1982. W każdej generacji były to całe serie z potężnymi modelami flagowymi, znacznie większymi niż obecnie, które jednak wymarły jak największe dinozaury. Widzieliśmy więc konstrukcje z dwoma niskotonowymi 30-kami, układy czterodrożne, a nawet pięciodrożne (TMR220), obudowy z niezwykłymi układami akustycznymi, również z głośnikami niskotonowymi umieszczonymi wewnątrz (między komorą z otworem lub komorą zamkniętą a długim labiryntem - np. TB160).
Konstruktorzy T+A weszli w ten temat - w labirynt różnych wersji linii transmisyjnych - tak daleko, jak żaden inny producent. Jednak pod koniec lat 90. rozwój idący w kierunku dalszych komplikacji został wyhamowany, modny stał się minimalizm, zaufanie audiofilów zdobyły układowo proste konstrukcje, a "przeciętny" klient też przestał ekscytować się wielkością kolumn, coraz częściej szukając czegoś szczupłego i eleganckiego. W projektowaniu kolumn nastąpił zatem swoisty regres, po części zdroworozsądkowy, po części wynikający z nowych wymagań rynku. Zredukowano zarówno wielkość, "drożność", jak i wewnętrzny schemat obudów. Firma T+A nie porzuciła jednak koncepcji udoskonalania linii transmisyjnej - to już niejako obowiązek wynikający z tradycji serii Criterion.
Ogólna koncepcja obudowy głośnikowej działającej jak linia transmisyjna nie jest jednak autorstwa T+A. Pozostaje oczywiście znacznie starsza.
Idealizowana koncepcja linii transmisyjnej obiecuje akustyczny raj na ziemi, jednak w praktyce rodzi poważne, niepożądane zjawiska uboczne, z którymi trudno sobie poradzić. Sprawy nie załatwiają popularne programy symulacyjne - wciąż trzeba stosować mozolną metodę prób i błędów. Takie wyzwanie raczej zniechęciło większość producentów szukających przecież rozwiązań opłacalnych, choć wciąż pociąga wielu hobbystów.
Swoje najnowsze podejście do linii transmisyjnej firma T+A nazywa CTL (Compensated Transmission Line). Producent publikuje też przekrój obudowy, który łatwo objaśnić i zrozumieć. Abstrahując od małej komory dla średniotonowego, która z linią transmisyjną nie ma oczywiście nic wspólnego, połowę całkowitej objętości obudowy zajmuje komora utworzona bezpośrednio za obydwoma głośnikami niskotonowymi. Do niej "jest podłączony" tunel prowadzący do wylotu, jak również tworzący krótszy, ślepy odcinek. I wszystko jasne, chociaż taka kombinacja pojawia się po raz pierwszy. Nie jest to klasyczna linia transmisyjna, lecz bardziej bas-refleks - z komorą o określonej podatności (zawsze zależnej od powierzchni, jaka jest na nim "zawieszona", a więc względem powierzchni otworu prowadzącego do tunelu) oraz tunelem z określoną masą powietrza.
Te dwa elementy tworzą układ rezonansowy o ustalonej (przez masę i podatność) częstotliwości rezonansowej - jak w bas-refleksie. Co jednak specyficzne, tunel jest jak na bas-refleks wyjątkowo długi i o dużej powierzchni przekroju - co ma swoje zalety, ale i wady, dlatego to rozwiązanie nie jest stosowane w typowych bas-refleksach. Duża powierzchnia to zaleta, gdyż zmniejsza prędkość przepływu powietrza i eliminuje zjawiska turbulencyjne. Ponieważ jednak radykalnie zmniejsza podatność, więc w celu ustalenia odpowiednio niskiej częstotliwości rezonansowej wymaga zwiększenia masy w tunelu - poprzez jego wydłużenie. A długi tunel to już w bas-refleksie wada, bo prowokuje powstanie pasożytniczych rezonansów. Jednocześnie tunel w CTL 2100 nie jest tak długi, aby mógł, jak w klasycznej linii transmisyjnej, wywołać pożądane przesunięcie fazy najniższych częstotliwości. Sam producent porusza tę kwestię, stwierdzając, że:
"Linia transmisyjna oferuje poważne przewagi nad systemem bas-refleks, ale wymaga niezwykle zaawansowanego projektu (...), droga dźwięku za głośnikami niskotonowymi (w linii transmisyjnej) musi być bardzo długa - podobna jak w organach - w innym przypadku niskie częstotliwości nie będą generowane".
To naprawdę ciekawe, że składając taką deklarację, producent nie tylko się do niej nie stosuje, ale i publikuje materiał (przekrój obudowy), który dokumentuje tę niekonsekwencję. Na szczęście niskie częstotliwości będą generowane, tyle że działaniem nie linii transmisyjnej, ale właśnie postponowanego układu bas-refleks, który "swoim sposobem" wprowadza korzystne przesunięcia fazowe, nie wymagając do tego celu tunelu o długości skorelowanej z założoną częstotliwością graniczną - ta zależy od innych parametrów układu, głównie od częstotliwości rezonansowej Helmholtza, dyktowanej przez podatność i masę. Tak działające obudowy (też prezentowane jako linie transmisyjne, co przydaje im splendoru) znamy od dawna, ale faktem jest, że T+A dodało do tego coś jeszcze - ów krótki ślepy kanał, który nie jest tutaj od parady.
Takie kanały też się spotyka w obudowach z liniami transmisyjnymi, ale tymi bardziej klasycznymi, bez komory sprzęgającej. Powodują one, że fala odbita od zaślepionego kanału biegnie z powrotem w fazie kompensującej niekorzystne rezonanse głównego kanału, co może mieć sens również w przypadku kanału systemu bas-refleks, skoro i w nim tworzą się rezonanse pasożytnicze. Taką myśl potwierdza obserwacja, że ślepy kanał jest dwa razy krótszy od kanału głównego, a to jest warunkiem takiej właśnie interakcji.
Podsumowując - to nie jest linia transmisyjna, co najwyżej bas-refleks z pewnym rozwiązaniem, znanym z niektórych linii transmisyjnych (i wcale nie chodzi o dłuższy kanał, lecz o ten krótszy). Taki wariant bas-refleksu jest zarówno oryginalny, jak i ma zalety, zwłaszcza gdy układ wymaga zastosowania długiego tunelu (nawet niekoniecznie o tak dużym przekroju).
Pewną wadą tego rozwiązania, w proporcjach zaproponowanych przez T+A (z tunelem o tak dużym przekroju), jest to, że układ tuneli zabiera ok. połowę całkowitej objętości obudowy, podczas gdy konstruktorzy często są pod presją ograniczania wielkości konstrukcji do wartości niższej niż optymalna, w celu uzyskania najlepszych rezultatów (przy zastosowaniu ustalonych głośników).
Można więc dojść do wniosku, że również T+A ma już dość linii transmisyjnej i wymyśla obudowy, które faktycznie działają jak bas-refleks, ale wciąż mogą udawać szlachetne linie. Tunel wyprowadzono przez dolną ściankę, dlatego potrzebne były dość wysokie (5 cm) kolce, aby przygotować swobodne rozejście się ciśnienia. Ale to też rozwiązanie znane z... bas-refleksów.
Linia transmisyjna w skrócie
Punktem wyjścia dla obudowy z linią transmisyjną było stworzenie idealnych warunków akustycznych do wytłumienia fali od tylnej strony membrany. Obudowa tego typu miała być układem nierezonującym, a jedynie izolującym energię od tylnej strony membrany (której nie można "po prostu" pozwolić na swobodne promieniowanie, gdyż jest w przeciw fazie z przednią stroną membrany).
Ktoś powie, że przecież w otwartych odgrodach tylna strona membrany promieniuje swobodnie... Tak, ale korektę fazy (przynajmniej częściową i zależną od częstotliwości) zapewnia tam szeroka odgroda, różnicująca odległość od obydwu stron membran do słuchacza. W efekcie pozostającego dużego przesunięcia fazy między promieniowaniem obydwu stron membran, zwłaszcza w zakresie najniższych częstotliwości, odgroda otwarta jest obarczona wadą niskiej efektywności. W bas-refleksie tylna strona membrany pobudza układ rezonansowy obudowy, którego energia zostaje wypromieniowana na zewnątrz, ale układ ten (tzw. rezonator Helmholtza) też przesuwa fazę, dzięki czemu w całym zakresie powyżej częstotliwości rezonansowej obudowy faza promieniowania przedniej strony membrany głośnika i otworu są mniej więcej zgodne.
Wreszcie obudowa zamknięta - ta ma na celu w najprostszy sposób zamknąć i wytłumić energię od tylnej strony membrany, nie robiąc z niej żadnego użytku, ani nie narażając na pogorszenie odpowiedzi impulsowej (wynikającej z działania układu rezonansowego obudowy bas-refleks). Jednak nawet tak teoretycznie proste zadanie wymaga staranności - fale promieniowane do wnętrza obudowy uderzają w jej ściany, wywołują ich wibracje, odbijają się i tworzą fale stojące, wracają do membrany, wprowadzają zniekształcenia.
Teoretycznie byłoby najlepiej, gdyby głośnik mógł swobodnie "oddać" energię tylnej strony membrany do układu akustycznego, który wytłumiłby ją całkowicie i bezproblemowo - bez "zwrotnego" wpływu na głośnik i bez wibracji ścianek obudowy. Teoretycznie taki układ stworzyłaby albo nieskończenie wielka obudowa, albo nieskończenie długi tunel, ale przecież... chodzi o rozwiązanie praktyczne.
Wydawało się, że odpowiednio długi (ale już skończony), ukształtowany (lekko zwężający się ku końcowi) i wytłumiony tunel spełni te postulaty przynajmniej w zadowalającym stopniu, działając lepiej niż klasyczna obudowa zamknięta. Ale i to okazało się trudne do uzyskania. Najniższe częstotliwości są tak długie, że niemal w ogóle nie wytłumia ich nawet kilkumetrowa linia transmisyjna. Oczywiście, gdy "nie przepakujemy" jej materiałem tłumiącym, który pogorszy działanie pod innym względem.
Pojawiło się więc pytanie: czy linię transmisyjną na końcu zamykać, czy pozostawić otwartą i uwolnić docierającą tam energię?
Prawie wszystkie warianty linii transmisyjnych - zarówno klasyczne, jak i specjalne - mają labirynt otwarty. Jest jednak co najmniej jeden bardzo ważny wyjątek - obudowa oryginalnego Nautilusa B&W, z labiryntem zamkniętym na końcu (ukształtowanym jak skorupa ślimaka). To jednak konstrukcja specyficzna pod wieloma względami. Wraz z zastosowanym głośnikiem niskotonowym o bardzo niskiej dobroci, charakterystyka przetwarzania opada łagodnie, ale bardzo wcześnie, i w takiej surowej postaci w ogóle nie nadaje się do wykorzystania - trzeba ją skorygować, podnieść i wyrównać do założonej częstotliwości, co wykonuje aktywna zwrotnica Nautilusa.
W otwartych liniach transmisyjnych na zewnątrz wydostaje się duża część energii promieniowanej przez tylną stronę membrany. Działanie linii po części służy jej wytłumieniu, które jednak okazuje się mało skuteczne, a po części - i stąd wciąż ma ona sens - przesunięciu fazy, dzięki czemu fala może zostać wypromieniowana, przynajmniej w pewnych zakresach częstotliwości, w fazie w przybliżeniu zgodnej z fazą promieniowania przedniej strony membrany. Są jednak zakresy, w których fale z tych źródeł wychodzą niemal w fazie przeciwnej, więc na charakterystyce wypadkowej powstają osłabienia. Wzięcie pod uwagę tego zjawiska tym bardziej skomplikowało projektowanie. Trzeba było skorelować długość tunelu, rodzaj i umieszczenie wytłumienia z zakresem pracy głośnika. Okazało się też, że w tunelu mogą układać się rezonanse półfalowe i ćwierćfalowe. W dodatku linie transmisyjne, ułożone w obudowach o typowych proporcjach dla kolumn głośnikowych, nawet jeżeli dużych i wysokich, muszą zostać "zwinięte". Dlatego właśnie przypominają labirynty - a każdy odcinek labiryntu może generować własne rezonanse.
Rozwiązywanie jednych problemów za pomocą dalszego komplikowania obudowy powoduje inne problemy. Nie znaczy to jednak, że nie można uzyskać lepszych rezultatów.
W uproszczonej analizie, biorącej pod uwagę tylko relacje między długością labiryntu a długością fali, dłuższy labirynt oznacza dłuższą drogę fali, a więc przesuwanie korzystnego przesunięcia fazy ku niższym częstotliwościom, i tamże wzmocnienie charakterystyki. Przykładowo, najskuteczniejsze wzmocnienie 50 Hz wymaga labiryntu o długości 3,4 m, bowiem na takim dystansie ułoży się połówka fali 50 Hz i ostatecznie wylot tunelu będzie promieniował w fazie zgodnej z przednią stroną membrany. Jednak przy częstotliwości dwa razy wyższej (w tym przypadku - 100 Hz), w labiryncie ułoży się już cała fala, a więc wylot będzie promieniował w fazie dokładnie przeciwnej do przedniej strony membrany.
Konstruktor takiej prostej linii transmisyjnej stara się tak dobrać długość i wytłumienie, aby wykorzystać efekt wzmocnienia i zredukować efekt osłabienia - trudno jednak znaleźć taką kombinację, która będzie znacząco lepiej tłumiła dwa razy wyższe częstotliwości. Co gorsza, walka z falami wywołującymi "antyrezonanse", czyli zapadłości na charakterystyce wypadkowej (w naszym przykładzie - w okolicach 100 Hz), za pomocą większej ilości wytłumienia często kończy się pyrrusowym zwycięstwem. Osłabienie to zostaje bowiem zmniejszone, choć nie wyeliminowane, ale w zakresie najniższych częstotliwości charakterystyka też znacząco traci na skutek stłumienia innych, i w tym zakresie korzystnych, efektów rezonansowych, które powstają w tym skomplikowanym układzie. Biorąc je pod uwagę w bardziej zaawansowanych projektach, należy skorelować długość labiryntu z samą częstotliwością rezonansową głośnika (fs), aby w tym zakresie uzyskać efekt odciążenia.
Okazuje się, że wbrew początkowym założeniom o braku oddziaływania linii transmisyjnej na głośnik jest to układ akustyczny, będący w sprzężeniu zwrotnym z głośnikiem, nawet w stopniu większym niż obudowa zamknięta, a podobnym jak bas-refleks - chyba że labirynt zdecydowanie wytłumimy, ale w praktyce takie obudowy grają basem bardzo szczupłym.
Już wcześnie konstruktorzy stosowali różne "chwyty", aby bez silnego wytłumienia - a więc przy efektywnym promieniowaniu niskich częstotliwości - zatrzymać antyrezonanse. Jednym ze sposobów jest utworzenie dodatkowego, "ślepego" tunelu (o długości ściśle skorelowanej z długością zasadniczego tunelu), w którym fala o określonej częstotliwości odbije się i pobiegnie ku wylotowi w takiej fazie, aby kompensować niekorzystne przesunięcie fazy fali biegnącej do wylotu prosto od głośnika.
Innym popularnym sposobem jest utworzenie za głośnikiem komory "sprzęgającej", która będzie działała jak filtr akustyczny, przepuszczała do labiryntu najniższe częstotliwości, a zatrzymywała wyższe. W ten sposób powstaje jednak układ rezonansowy o silnie zaznaczonych cechach bas-refleksu. Taką obudowę można interpretować jako bas-refleks z tunelem bardzo długim i o bardzo dużym przekroju. Dla obudów działających jak bas-refleks teoretycznie odpowiednie będą głośniki o niskiej dobroci (Qts), a dla idealnej, klasycznej linii transmisyjnej, która nie oddziałuje na głośnik - o wysokiej, wyższej nawet niż w obudowach zamkniętych.
Są jednak obudowy o "strukturze" pośredniej: w pierwszej części labirynt ma przekrój wyraźnie większy niż dalej, więc może zostać uznany za komorę, ale nie musi... Gdy labirynt zostanie wytłumiony, straci cechy bas-refleksu. Można zastosować więcej głośników i ustawić je w różnej odległości od wylotu. Można zrobić więcej niż jeden wylot.
Tunel można też ku wylotowi rozszerzać lub zwężać...
Nie ma oczywistych reguł, nie ma prostych recept, nie ma gwarancji sukcesu. Wciąż pozostają zabawa oraz poszukiwania - i właśnie dlatego linia transmisyjna jest wciąż tematem dla pasjonatów.
Andrzej Kisiel
Zobacz także:
Fascynacja komplikacją - część 1
