piątek, 9 października 2015

Kable głośnikowe

Ostatnio stało się bardzo modne, aby połączać głośniki do wzmacniacza tak grubymi kablami jak to tylko możliwe. Ma to także technicznie uzasadnienie. Ale skłonność do stosowania przewodów o grubości ramienia, jest dość dyskusyjna. Chęć uzyskania połączenia o niskiej oporności wynika z tego, że tzw. współczynnik tłumienia, parametr spotykany pomiędzy różnymi innymi parametrami podawanymi w danych technicznych, dotyczy całości systemu składającego się ze wzmacniacza i głośników.

Współczynnik tłumienia wzmacniacza jest mianowicie stosunkiem impedancji głośnika oraz impedancji wyjściowej wzmacniacza. Jest to wartość liczbowa, której nie można bezpośrednio zmierzyć, współczynnik tłumienia po prostu w faktycznie nie istnieje. Współczynnik tłumienia podawany w danych technicznych nie ma nic wspólnego z tym, jak głośniki są realnie tłumione. W żargonie hi-fi opisuje się przez współczynnik tłumienia jedynie w sposób pośredni opór wyjściowy wzmacniacza. Współczynnik tłumienia jest wielkością wirtualna, podczas gdy opór wyjściowy (często nazywany oporem wewnętrznym) jest wielkością fizyczną i dlatego można go mierzyć. Większość osób nie za bardzo wie, co oznaczają niewielkie wartości podawane w Ohmach, więc przyjęło się podawanie tej niemianowanej wartości. Ponadto przy współczynniku tłumienia lepszymi wartościami są te większe, podczas gdy dla oporności wyjściowej lepsze są wartości mniejsze. Łatwiej jest kogoś przekonać, że powinien zapłacić więcej za wyższą wielkość współczynnika tłumienia niż za niższą wartość oporności wyjściowej.

Jeśli dla jakiegoś przeciętnego wzmacniacza podano dla 8-Ω głośników, że współczynnik tłumienia wynosi 100 oznacza to, że jego oporność wyjściowa jest 8 Ω/100 = 0,08 Ω. Dlatego, że oporność wyjściowa nie zależy od wielkości jaką wzmacniacz jest obciążony, to dla głośników 4 Ω współczynnik tłumienia będzie już tylko połową wartości dla 8Ω głośników. Opór wyjściowy (a co za tym idzie współczynnik tłumienia) jest tak ważny dlatego, że głośniki są systemem „masa na sprężynie”. Z tego powodu głośnik jeśli nie będzie odpowiednio tłumiony, będzie drgać nadal w sposób mniej lub bardziej niekontrolowany. Dotyczy to szczególnie głośników niskotonowych, które mają dużą masę i dlatego mechaniczne wytłumienie ich nie jest zazwyczaj wystarczające i konieczne jest dodatkowe tłumienie elektryczne. Głośniki średniotonowe są zazwyczaj dobrze wytłumione mechanicznie, a wysokotonowe prawie bez wyjątku.

Ważne dla głośnika niskotonowego zewnętrzne tłumienie odbywa się na drodze elektrycznej. Głośnik może nie tylko zamieniać energię elektryczną w ruch membrany, ale ruch membrany może też zostać przekształcony w energię elektryczną. Może on działać jak generator jeśli zaczniemy membranę wprawiać w ruch. Głośnik może zostać użyty, co może niektóre osoby zdziwić, jako mikrofon, nie należy się jednak spodziewać dobrej jakości i wysokiego prądu wyjściowego. Jeśli ruch cewki głośnika nie odpowiada dokładnie prądowi dostarczanemu przez wzmacniacz, to zostaje przez cewkę głośnika indukowany pewien dodatkowy prąd. Jeśli uda się to dodatkowo indukowane napięcie spiąć obwodem o niskiej oporności, to popłynie przez niego bardzo duży prąd. Ze względu na to, że energii nie można wytworzyć a jedynie ją przekształcić, to należałoby wywierać bardzo dużą siłę na głośnik, aby ten tak duży prąd wygenerować. Tak duża siła jednak nie występuje i z tego względu, w idealnym przypadku, niepożądane ruchy głośnika są całkowicie tłumione.

Wielkość współczynnika tłumienia podawana w danych technicznych wzmacniacza jest, jak już powiedziano, wielkością matematyczną i niczym więcej jak niebezpośrednim odzwierciedleniem oporności wewnętrznej. W praktyce osiągany współczynnik tłumienia jest znacznie mniejszy niż ten podawany w tabelach z danymi wzmacniacza. W praktyce oporność połączenia przez kabel nie jest wartością zerową. Te wartości są wprawdzie bardzo małe, ale mimo to mogą nieć duży wpływ na wielkość współczynnika tłumienia. Dla wzmacniacza z wcześniejszego przykładu oporność wyjściowa wynosiła 0,08 Ω czyli 80 mΩ co dawało współczynnik tłumienia o wartości 100 dla głośników 8 Ω. Jeżeli połączenie będzie mieć taki sam opór, to sumaryczny opór wynosi już 160 mΩ , tak więc współczynnik tłumienia spadnie do 50 po uwzględnieniu oporności kabla.

Zanim jednak ktoś wpadnie na pomysł, żeby współczynnik tłumienia podwyższyć poprzez zastosowanie kabla o grubości węża strażackiego, pozwolimy sobie na wymienienie nazwy elementu, który te usiłowania czyni dosyć daremnymi: cewka zwrotnicy (indukcyjność), która leży na drodze sygnału. Nawet jeśli producent zada sobie trud zastosowania grubego drutu, to i tak trudno jest osiągnąć mniejszą wartość niż 0,3 Ω. W dobrych zestawach typową wielkością jest raczej 0,5 Ω an nawet 1Ω, a o kiepskich kolumnach nawet tu nie będziemy wspominać. Przy jednym Ohmie tylko sama indukcyjność cewki redukuje współczynnik tłumienia do wartości 8, słownie: osiem. Tej wartości nie uda się podnieść nawet stosując najdroższy kabel, gdyż taka wartość odpowiada założeniu, że zarówno oporność kabla i opór wyjściowy wzmacniacza wynoszą zero.

Ale to tylko początek złych wiadomości, gdyż cewka głośnika również ma pewną oporność, której wartość to kilka Ohmów. To znaczy, że sam tylko głośnik redukuje współczynnik tłumienia do wartości nieznacznie większej niż 2. Schemat wszystkich oporów występujących w ścieżce sygnałowej pokazuje poniższy rysunek:



Na rysunku idealny wzmacniacz G jest przedstawiony jako zestawienie idealnego źródła napięcia zmiennego i niemożliwego do uniknięcia oporu wewnętrznego Ri, który wysteruje idealny głośnik Gł na który z kolei składa się idealny głośnik niskotonowy, który ma zaznaczony osobno opór cewki Rc do którego dołączony jest opór Rz cewki indukcyjnej zwrotnicy. Połączenie realnego wzmacniacza z realnym głośnikiem (czyli włączając w to niepożądaną oporność) odbywa się za pomocą kabla, który ma oporność Rk. Jeśli się przyjrzeć poszczególnym opornościom, to staje się jasne, że oporność cewki głośnika i cewki w zwrotnicy są znacznie większe (o dwa rzędy wielkości czyli o mnożnik 100) niż oporność wewnętrzna wzmacniacza czy kabla. Oznacza to, że bez względu na to czy oporność kabla jest duża czy mała, to nie ma to większego znaczenia dla całości. Do tego dochodzi fakt, że na schemacie zaznaczono tylko oporność, natomiast cewki mają wzrastającą wraz z częstotliwością impedancję, więc realny współczynnik tłumienia będzie wraz ze wzrostem częstotliwości coraz mniejszy. Ten fakt jest zupełnie przemilczany, gdyż w takim przypadku cała argumentacja przemawiająca za stosowaniem grubych i drogich kabli traci sens.

Dla pozostałych parametrów jak indukcyjność i pojemność stosuje się te same reguły jak przy kablach RCA. Ze względu ma małą oporność wyjścia wzmacniacza pojemność kabla nie odgrywa żadnej roli, gdyż częstotliwość graniczna zawsze jest ekstremalnie wysoka i leży daleko poza zakresem słyszalnym i z tego względu nawet nie ma sensu nad tym się rozwodzić. Ponadto pojemność kabla nieekranowanego jest znacznie mniejsza niż kabla ekranowanego. Dla bardzo niekorzystnego i przejaskrawionego przykładu 0,1Ω oporności wyjściowej i 1000 pF pojemności kabla wynika częstotliwość graniczna około 1,5 GHz, czyli w połowie zakresu mikrofalowego, w którym pracują telefony komórkowe. Indukcyjność kabla, która jest już tak niska, że trzeba naprawdę dużego nakładu środków, żeby ją w ogóle zmierzyć, jest w ogóle bez znaczenia dla właściwości transmisyjnych kabla, gdyż indukcyjność cewki zwrotnicy jest o wiele rzędów wielkości większa niż indukcyjność kabla.

Podsumowując można powiedzieć, że opór kabla doprowadzającego sygnał do głośnika ma pomijalnie mały wpływa na współczynnik tłumienia systemu składającego się ze wzmacniacza, kabla i głośnika. Czy współczynnik elektrycznego tłumienia głośnika wynosi 2 czy 1,95 to nie ma żadnego odzwierciedlenia w brzmieniu. Z tego powodu nie są wymagane kable grubości węża strażackiego. Jednak nie powinno się mimo wszystko stosować zwykłego drutu z tego powodu, że połączenie powinno mieć tak mały opór, jak to możliwe i nie należy oszczędzać za bardzo na przewodach, aby niepotrzebnie nie pogorszyć współczynnika tłumienia. Jeśli długość połączenia jest mniejsza niż 10m to przekrój kabla 2,5 mm^2 jest wystarczający, oporność kabla dla drogi do kolumn i z powrotem wyniesie 136 mΩ. W przeciwieństwie do powszechnych opinii długość kabla dla obu kanałów nie musi być jednakowa. Asymetria typu 2m/10m jest niesłyszalna.

Nierzadko bardzo drogi kable są sprzedawane z uwagą, że ekstremalnie niska oporność i indukcyjność kabla uzyskana przez stosowanie egzotycznych materiałów mają wpływać na szczególnie dobre przetwarzanie impulsów. Pomijając to, że ekstremalnie niska oporność kabla nic nie zmienia, dla elektronów jest rzeczą zupełnie obojętną przez jaki materiał one płyną. Jedyną rzeczą jaka ma wpływ na transport elektronów jest opór połączenia. Tego czy opór zostanie obniżony poprzez zastosowanie srebra czy przez użycie trochę grubszego, ale poza tym całkiem zwyczajnego kabla, elektrony nie są w stanie stwierdzić. Indukcyjność kabla wynika w pierwszym rzędzie z jego długości i nie można jej obniżyć przez użycie nawet najbardziej niezwykłych materiałów. Poza tym i tak jest ona tak znikoma, że nie ma żadnego wpływu na odbiór. Przy kablu o długości 10 metrów i przyjętą wartością 10 nH/m wynika dla głośników 8Ω częstotliwość graniczna jest większa niż 12 MHz, leży w górnym zakresie fal krótkich i z tego powodu nie ma żadnego znaczenia. Dwużyłowy kabel, w którym żyły leżą równolegle ma poza tym znacznie mniejszą pojemność i indukcyjność niż specjalne kable koncentryczne, które czasem są nazywane szczególnie wysokowartościowymi kablami głośnikowymi. W stosowaniu kabli koncentrycznych leży sprzeczność polegająca na tym, że indukcyjność i pojemność zwykłych kabli dwużyłowych jest znacznie mniejsza, a poza tym kabel koncentryczny jest całkowicie asymetryczny, bo jedna żyła leży w środku, a oplot stanowi drugą żyłę. Z tego względu oplot ma zupełnie inną indukcyjność niż żyła środkowa. Dodatkowo w praktyce przekrój obu tych żył nigdy nie jest sobie równy, a zatem i oporność jest różna. Elektro-technicznie nie ma to wprawdzie żadnego znaczenia, jednak demonstruje, że argumentacja różnego rodzaju „ekspertów” nie tylko nie ma nic wspólnego z rzeczywistością, ale jest również niespójna.

Czasem są oferowane kable zaplecione w szczególny sposób. Zaplecenie izolowanych żył, które są połączone jedynie na początku i na końcu kabla ma techniczne uzasadnienie. Przy bardzo wysokich częstotliwościach występuje tzw. efekt naskórkowości. Elektrony nie wykorzystują całego przekroju kabla, lecz płyną raczej w pobliżu powierzchni przewodnika. Z tego powodu, że obniża się przekrój przewodnika, to wzrasta jego oporność. Tzw. głębokość wnikania pola, która określa grubość pierścienia, który jest wykorzystany do przewodzenia, wynosi dla częstotliwości 20 kHz około 0,47 mm, dlatego ten efekt w ogóle nie wystąpi do przekroju drutu około 0,7 mm^2. Przy większym przekroju ten efekt nie jest jakiś szczególnie duży z powodów geometrycznych, bo przewodzący pierścień w porównaniu do nieprzewodzącego rdzenia jest dość duży. Dla przykładowo 4 mm^2 zwiększenie oporu dla 20 kHz przez efekt naskórkowości wyniesie około 34% a dla 6 mm^2 około 43%. Przy czym przyjęto tu uproszczenie, że kabel przewodzi tylko do głębokości wnikania pola, a rdzeń nie przewodzi wcale. Faktycznie to przejście jest płynne i kabel z punktu widzenia prądu zmiennego jest w kierunku środka coraz bardziej oporny.

Wiele izolowanych drutów ma większą czynną powierzchnię przewodzącą, co jest w technice wysokich częstotliwości chętnie wykorzystywane. W zakresie niskich częstotliwości, gdzie hi-fi również się zalicza, efekt naskórkowy nie ma żadnego praktycznego znaczenia. Głębokość wnikania elektronów jest dla końca pasma akustycznego wystarczająco mała i dla wystarczająco grubych kabli faktycznie dojdzie do zwiększenia oporu, a im grubszy kabel tym efekt silniejszy. Dla końca pasma słyszalnego opór kabla nie ma jednak żadnego nominalnego znaczenia, gdyż głośniki wysokotonowe nie tylko w porównaniu z opornością kabla same mają wysoką oporność cewki, a ponadto prawie zawsze są wyposażone w dodatkowe oporniki. Czy ten opornik przed głośnikiem wysokotonowym będzie mieć 2,2 Ω czy 2,21 Ω to nie ma żadnego znaczenia. Głośnik wysokotonowy i tak ma wysokie tłumienie mechaniczne, więc dodatkowe tłumienie elektryczne nie ma takiego znaczenia jak w wypadku głośnika niskotonowego. Głośnik wysokotonowy nie jest skazany na dodatkowe tłumienie elektryczne przez wzmacniacz, jak niskotonowy. Kabel wykonany z wielu cienkich żył brzmieniowo nie wnosi zatem nic.

Jeżeli jeszcze ktoś nie jest przekonany o braku sensowności stosowania bardzo drogich kabli i wciąż szuka porady u samozwańczych „ekspertów” hi-fi, być może będzie pomocne prześledzenie całej ścieżki sygnałowej. Na początku trzeba wymienić wzmacniacz. W nim przy nowoczesnych rozwiązaniach napięcie zasilające tranzystory mocy jest doprowadzone przez ścieżkę na płytce drukowanej. Płytka drukowana jest zrobiona z papieru nasączonego syntetyczną żywicą, a w lepszych modelach z włókien szklanych nasączonych żywicą, które to płytki są pokryte warstwą miedzi o grubości zaledwie 35 μm (=0,035 mm) która tworzy ścieżki przewodzące. Chodzi o całkiem zwyczajną cienką miedź. Przez inne, ale tak samo cieniutkie, ścieżki jest poprowadzony sygnał do przyłączy głośnikowych. Te cienkie ścieżki stoją w jaskrawym kontraście do grubych kabli głośnikowych. Poza tym dochodzą jeszcze miejsca lutowane normalną cyną, gdzie powstają opory przejścia na tych złączach. Miejsca lutowania tranzystorów mocy mają również bardzo mały przekrój. We wzmacniaczach starszej konstrukcji tranzystory mocy nie znajdują się bezpośrednio na płytce drukowanej, tylko są łączone do płytki drukowanej dodatkowymi cienkimi standardowymi kabelkami. Gruby kabel w tym miejscu nie wchodzi w rachubę z powodu takiego, że nie da się go przylutować.

Dalej mamy zaciski głośnikowe, na których również można zmierzyć opór przejścia na kable. W kolumnach też mamy złącza, gdzie również można zmierzyć ich oporność. Wewnątrz kolumn najczęściej sygnał jest doprowadzony do zwrotnic przez zwykły kabel, a w zwrotnicach na drodze do głośnika basowego i średniotonowego są zamontowane cewki indukcyjne. Cewki indukcyjne składają się z wielu metrów lakierowanego drutu miedzianego (=taniego, izolowanego farbą drutu miedzianego), który jest nawinięty na szpulę. Ten lakierowany miedziany drut rzadko ma większą średnicę niż 1 mm (przekrój 0,8 mm^2), podczas gdy długość tego drutu zależy od wymaganej indukcyjności cewki i na ścieżce do głośnika basowego ma co najmniej 10 metrów, zazwyczaj jednak znacznie więcej. Następnie sygnał biegnie do głośnika, którego cewka jest wykonana z kilku metrów cienkiego, izolowanego farbą, miedzianego drutu. Aby masa cewki była możliwie mała oraz żeby szczelina w magnesie głośnika była jak najwęższa (w ogóle szczelina jest niepożądana, ale przecież cewka musi się gdzieś poruszać) to stosuje się możliwie najcieńszy drut – tak cienki, że przy maksymalnej dopuszczalnej mocy staje się on bardzo gorący; to jest przyczyną dla której cewka przy przeciążeniu może się przepalić. Nawet dla głośnika niskotonowego, którego moc wynosi 200W, średnica tego drutu jest sporo mniejsza niż 1 mm. Jeśli się więc pomyśli o co najmniej 10 metrowym kawałku cienkiego drutu z cewki zwrotnicy i go wyobrazi obok 3 m grubego kabla hi-end, to czy ktoś jeszcze będzie się łudził, że w ten sposób można osiągnąć jakąkolwiek poprawę brzmienia?

Dlatego zamiast wydawać pieniądze na drogie kable warto je zainwestować w kupno lepszych kolumn. W ogóle nawet nie jest konieczne kupowanie kabli głośnikowych, wystarczy zwykły dwużyłowy przewód o takim samym przekroju. Elektrycznie będzie się on zachowywał tak samo.

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz