Contact

Tuba w 21 wieku

 

Tuba (ang. Horn) jest ustrojem akustycznym scharakteryzowanym jako tunel (falowód) o zmiennej powierzchni przekroju.  Jest to element akustyczny niezmiernie cenny, ponieważ umożliwia dopasowanie dowolnej akustycznej impedancji źródła umieszczonego po jednej stronie, do impedancji falowej ośrodka, z którym tuba łączy się po drugiej stronie.  Zastosowanie tuby w elektroakustyce jest o tyle istotne, że głośnik, promieniujący bezpośrednio w dość rzadkim ośrodku, jakim jest powietrze, nie jest w stanie wytworzyć dźwięku ze sprawnością choćby zbliżoną do 100% z powodu niedopasowania impedancji akustycznej.  Sprawność najlepszych głośników estradowych promieniujących bezpośrednio, jest zbliżona w najlepszym przypadku do około 5%, reszta energii dostarczonej ze wzmacniacza jest wypromieniowana w postaci ciepła. Tuba umożliwia podniesienie tej sprawności, w teorii do niemal 100%. Średnie sprawności w zastosowaniach w praktycznych, o sensownych rozmiarach, sięgają 40%, a w wąskim pasmie nawet 80%. Stosując obrazowe porównanie, tuba jest tym dla głośnika, czym turbosprężarka dla silnika spalinowego. Ponadto tuba umożliwia zawężenie i uzyskanie praktycznie dowolnej charakterystyki amplitudowej, czy kierunkowej, co jest wykorzystywane dość powszechnie w głośnikach wysokotonowych zarówno jednopunktowych, jak i wyrównanych liniowo. W przypadku tonów najniższych, oprócz zwiększenia sprawności, tuba, zwiększając akustyczne obciążenie membrany, zmniejsza jej wychylenie a co za tym idzie zmniejsza zniekształcenia spowodowane wykraczaniem cewki głośnika poza szczelinę magnetyczną. Ponadto tuba niskotonowa nie wytwarza tak dużych różnic w prędkościach akustycznych, jakie występują w tunelu w obudowach z otworem rezonansowym Helmholtza. Przy dużych mocach turbulencje w tubie są o wiele mniejsze, praktycznie w ogóle nie ograniczając mocy maksymalnej. Tuba umożliwia także duże możliwości zastosowania różnorakich kształtów geometrycznych w zależności od potrzeb, co w praktyce umożliwia realizację założonych, niespotykanych wcześniej celów, jak chociażby falowód wyrównany liniowo.

Czemu więc tuba dziś nie jest stosowana zawsze i wszędzie? Myślę, że porównywalne pytania i wnioski można snuć na temat stosowania turbin  w przemyśle samochodowym.  Otóż przyczyny są dwie, ekonomiczna i techniczna. Tuba ponosi ze sobą koszty, rozmiary i jest bardzo trudna w projektowaniu. W dzisiejszych czasach rozwiązania drogie stają się luksusem, a luksus nie jest popularny.   O ile praktycznie wszystkie estradowe głośniki wysokotonowe są tubowymi, o tyle w przypadku średnich i niskich tonów są to rozwiązania stosowane rzadko. Celem niniejszego artykułu jest wykazanie, że tuby niskotonowe w sprzęcie profesjonalnym, są nie tylko luksusem, ale ich zastosowanie w określonym zakresie ma sens ekonomiczny i techniczny.

Chcąc wyjaśnić ten fenomen wypada się na chwilę skupić z czego wynika sprawność głośnika promieniującego bezpośrednio. Otóż w zadowalającym, na potrzeby tego artykułu, uproszczeniu, odpowiada za to stosunek stałej transformacji (BL) , zwanej tez potocznie siłą napędu,  podawanej w N/A, do masy drgającej (Mms) podawanej najczęściej w gramach. Masa drgająca w głośniku elektrodynamicznym, czyli niemal jedynym obecnie stosowanym, to masa membrany powiększona o masę cewki i około połowę masy zawieszeń. Współczynnik BL wynika z indukcji magnetycznej pomnożonej przez długość drutu znajdującego się w szczelinie.

W przypadku tonów wysokich nie jest możliwe uzyskanie zadowalająco dużych mocy przetwornika z powodu ograniczenia masy drgającej. Jeśli głośnik ma odtwarzać tony zbliżone do górnej częstotliwości pasma słyszalnego, to masa drgająca nie może przekraczać 2-3 gramów.  Zastosowanie silnego napędu do małej mocy jest nieekonomiczne. Siła napędu zależy od masy materiału magnetycznego, dlatego też duże magnesy są bardziej praktyczne w przypadku głośników o dużej mocy. Współczesne największe głośniki wysokokotne mają moce rzędu 100W i szacuję, że przez ostatnie 15 lat te moce nie wzrosły o więcej niż 30%.  Tuby są więc konieczne do uzyskania odpowiednio dużego natężenia ze stosunkowo małej mocy.  Ponadto tuby wysoko-tonowe są małych rozmiarów, ponieważ ich wielkość jest ściśle związana z długością fali akustycznej (16m tony najniższe do 1,6cm tony najwyższe). Tuby wysoko-tonowe  projektuje się łatwo , ponieważ są one przewymiarowane i nie wykorzystuje się okolic dolnej częstotliwości granicznej, a skupia na kierunkowości.

Zastosowanie tuby w zakresie średniotonowym jest już trochę droższe, choć wciąż tuby nie sa wielkich rozmiarów. Ale głośniki średnio-tonowe są najbardziej sprawnymi w promieniowaniu bezpośrednim, a ich koszt wytworzenia jest niewielki. Wynika to stąd, że membrana nie musi być na tyle wytrzymała i ciężka, by znosić ogromne wychylenia przy niskich tonach, a cała masa drgająca może być o wiele większa niż w tonach wysokich, z powodu niższej górnej częstotliwości granicznej. Można więc zastosować większe cewki i uzyskać o wiele większe moce.  Ponadto z powodu niewielkiego wychylenia, cewka może być krótka i stosunkowo łatwo uzyskać silny napęd skupiając niemal całe uzwojenie w szczelinie.  Najlepsze współczesne głośniki “midbas” generujące największe ciśnienia w paśmie rzędu 100Hz-1,5kHz  są dostępne o mocy rzędu 400-500W, ich układ drgający z cewką nawiniętą aluminiowym drutem waży ok 30 gramów, a sprawność sięga około 102dB podczas gdy średnia sprawność dużej tuby w tym zakresie zazwyczaj dochodzi do 106dB.  Co prawda są głośniki o większej mocy, ale nie generują one wcale większego ciśnienia, po prostu większa cewka zmniejsza sprawność z powodu swojej masy. Bardzo istotnym aspektem przemawiającym przeciwko stosowaniu tub średnio-tonowych jest długość tuby.  W klasycznym układzie dwudrożnym z podziałem pasywnym, głośnik midbas lub niskotonowy posiada centrum akustyczne mniej więcej kilka cm za membraną, w okolicy magnesu.  Mniej więcej taką samą odległość do przedniej ścianki zestawu  przebywa dźwięk w tubie wysokotonowej, jest to zazwyczaj kilkanaście cm, więc wykonanie spójnego fazowo zestawu jest dość p[roste. Umieszczenie głośnika średniotonowego w tubie przesunie o  kilkadziesiąt cm do tyłu centrum akustyczne. Powoduje to wymuszenie zastosowania aktywnego podziału z zastosowaniem drugiego wzmacniacza i procesora cyfrowego, jako jedynego urządzenia potrafiącego przesunąć dźwięk w czasie. Możliwe jest też zastosowanie bardzo długiej tuby wysokotonowej (prawie niestosowane rozwiązanie).  Można również po prostu pogodzić się z tym, że źródło średnio-tonowe jest opóźnione o n krotność półfali przy częstotliwości podziału,  ale nie jest to rozwiązanie, które można nazwać odwzorowującym wiarygodnie  materiał muzyczny. Dlatego też zastosowanie tub w tym zakresie pasma jest najczęściej celowe z większej liczby powodów niż tylko sprawność, tak jak choćby w przypadku zestawów wykorzystujących technologię “colinear”.

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku tonów najniższych. Uzyskanie dużej sprawności w promieniowaniu bezpośrednim przy jednoczesnym dużym wychyleniu, dużej mocy i dużej odporności mechanicznej membrany jest mocno ograniczone, pomimo najnowszych technologii. Tymczasem zapotrzebowanie na tony niskie w całym paśmie jest najwyższe, ponieważ ucho jest na te tony najmniej wrażliwe. Z krzywych izofonicznych wynika, że o ile w zakresie średniotonowym, górny próg słyszalności wynosi ok 120dB, o tyle w zakresie niskotonowym próg ten wynosi 135dB. To oznacza, że żeby tony były równo słyszane, moc wypromieniowana do otoczenia tonów najniższych musi być kilkadziesiąt krotnie większa niż tonów średnich. Ponad to wytworzenie tonów najniższych na poziomie przekraczającym około 115dB powoduje, że ucho przestaje być jedynym narządem odbierającym dźwięk, a staje się nim całe ciało. Jest to efekt prawie niespotykany w warunkach domowych za to bardzo pożądany na imprezach masowych kulturalno rozrywkowych, ze względu na swą wyjątkowość dodającą imprezie coś niespotykanego na co dzień. Jak trudne i kosztowne jest uzyskanie zadowalającego efektu pokazuje trend na rynku produktów reprodukujących dźwięk, który kilkadziesiąt lat temu zakładał kompletną rezygnację z odtwarzania najniższego pasma basowego na korzyść większej sprawności. Trend ten wiąże się nie tylko z produktami reprodukującymi, ale także wytwarzającymi, a także z  ilością nagrań i od wielu lat skutecznie zmierza w kierunku coraz niższego pasma. Chociaż wciąż uzyskanie pełnego brzmienia w systemach np mobilnych dla nagłośnienia kilkudziesięciu osób z mniejszymi niż 18” głośniki jest bardzo utrudnione.  Jednak w obecnych czasach juz w systemach średnich, a nie tylko dużych, uzyskanie pełnego pasma basowego z odpowiednio dużym ciśnieniem jest osiągalne i z powodu rozwoju techniki i malejących z tego powodu kosztów. Jeśli chodzi o przetworniki, w celu uzyskania odpowiedniego ciśnienia na średnich i dużych imprezach, konieczne jest zastosowanie większej ilości  głośników/basów. Przez ostatnie 10 lat na rynku, z powodów praktycznych, wytworzył się standard, produkowany przez wielu producentów, w postaci głośnika 18” z cewką 4 cale o mocy rzędu 1000-1200W o masie drgającej ok 180 gramów zdolny do osiągnięcia efektywności w paśmie 40-100Hz ok 98dB. Wbrew mylnemu wrażeniu, które można odnieść czytając reklamowe foldery obecnie nie istnieje żaden cudowny głośnik, który w promieniowaniu bezpośrednim potrafi to lepiej. Każde rozwiązanie (poza tubowym) o większej sprawności polega na ograniczeniu pasma lub zmniejszeniu mocy, co nie prowadzi do rozwiązania problemu lub rozwiązuje go częściowo. Postęp w zakresie technologi przetworników jest największy w tym pasmie, ale postęp ten nie wytworzył się z powodu zmniejszenia masy drgającej za pomocą nowych materiałów, a przede wszystkim z powodu ulepszenia chłodzenia cewki.  Myślę, że na przestrzeni ostatnich 15lat moce głośników niskotonowych wzrosły więcej niż dwukrotnie. Dodatkowym postępem jest przygotowanie mechaniczne zawieszeń do bezawaryjnego działania z dużymi mocami, praktycznie standardem staje się zastosowanie silikonu tym w celu. A to wszystko wynika z wciąż dużego niezaspokojonego zapotrzebowania na moc i sprawność w tym paśmie.

I tutaj dochodzimy do sedna problemu – niskotonowa obudowa tubowa lepiej zaspakaja potrzeby nowoczesnych systemów nagłośnieniowych niż jakakolwiek inna obudowa. Jednak jakość brzmienia zestawów tubowych wciąż nie dla wszystkich jest oczywista. Winne jest temu zabobonowi jest nieumiejętne projektowanie nieoptymalnych tub w przeszłości oraz nazywanie tubą wszystkiego, co tylko ją w jakiś sposób przypomina. W przeszłości większość konstrukcji tubowych oferowanych na rynku posiadała charakterystyczne brzmienie typu ”kick” bez najniższych rejestrów, z wyjątkowo mocnym uwydatnieniem tonów 80-150Hz.  W mojej ocenie nazwaniem tubą niskotonową ustrój, który posiada tunel o długości mniej niż 200cm jest marketingowym nadużyciem. Nowoczesne konstrukcje INFRASUB udowadniają, że można skonstruować tuby odtwarzające bardzo niskie tony z bardzo dużą równomiernością pasma, przekraczająca możliwości obudów z otworem rezonansowym. Porównanie trzech konstrukcji - SB18 , HF19 i HF30 z tym samym, standardowym na rynku głośnikiem 1200W pokazuje, że z obudowy tubowej można uzyskać wzrost efektywności (sprawności) w całym pasmie, a nawet można pasmo obniżyć.

Do uzyskania odpowiedniego ciśnienia w systemie niskotonowym można więc zastosować tubę, która podniesie sprawność o 3dB czy nawet więcej, ale ze względu na rozmiary wytworzenie obudowy poniesie za sobą większe koszty.  Czy te koszty zrekompensują lepsze osiągi? Jeśli za odniesienie przyjmiemy głośnik, który kosztuje 80$, to sensowność wyprodukowania tuby do niego, której koszt będzie zbliżony do 300$ stoi pod dużym znakiem zapytania. Z powodu zjawiska wzajemnego promieniowania, umieszczenie obok drugiego basu, podnosi efektywność zestawu w najniższych tonach o 3dB.

Jeśli przyjmiemy, dla uproszczenia, że dwa razy większa tuba podnosi równo całe pasmo o 3dB, to wynika z tego, że tubę można w przybliżeniu zastąpić drugim dodatkowym basem. W tym przypadku tańszym rozwiązaniem będzie powielenie głośnika, ponieważ koszty wyprodukowania obudowy tubowej, będą przekraczały wartość głośnika i drugiej obudowy. Tuba kosztuje więcej nie tylko z powodu większej ilości drewna, ale przede wszystkim z powodu większej czasochłonności wykonania skomplikowanych tuneli.

!!HF34vsBRrazem00Ale do wytworzenia ciśnienia na średniej wielkości imprezie masowej, z odpowiednią niezawodnością, powtarzalnością, jakością, nie wystarczy powielony głośnik za 80$. A kiedy głośnik kosztuje 300$ lub więcej, koszt wytworzenia obudowy tubowej będzie niższy, niż dodatkowy drugi zestaw promieniujący bezpośrednio. W tym przypadku zyski ekonomiczne są oczywiste. Gdzie dokładnie leży granica sensowności, zależy od wielu czynników. z których głównym jest to ile kosztuje roboczogodzina a to jak wiemy, zależy od kraju. W polskich realiach wyprodukowanie tuby jest o wiele tańsze niż na zachodzie, szczególnie, że nasze położenie geograficzne zapewnia nam dostęp do taniej sklejki, a głośniki kupujemy z zachodu, więc i tuby są bardziej opłacalne.

Co więcej, do tuby nadają się głośniki, których stosowanie w obudowach z otworem rezonansowym wydaje się bezcelowe. W przypadku niskich tonów i obudowy tubowej, sprawność nie zależy bezpośrednio od masy drgającej. Masa wpływa jedynie na górną częstotliwość pasma, która w zestawach niskotonowych nie jest problemem. Dlatego też w tubie można pozwolić sobie na głośnik, którego układ drgający i wielka cewka o ogromnej mocy ważą nie 190 a 320gramów, zyskując większa moc bez utraty sprawności, czego dowodem jest konstrukcja HF34, która oferuje zysk praktycznie w całym paśmie na poziomie rzędu 5dB, czyli moc wypromieniowana jest około 3 krotnie wyższa, niż w przypadku obudowy bas refleks, zasilanej tej sama mocą.

Nowoczesna tuba nie musi być duża.  Możliwe i sensowne jest konstruowanie tub małych jak choćby HF19, czy jeszcze mniejsze i chociaż małe obudowy tubowe nie posiadają lub posiadają mniejsze zyski energetyczne, to umożliwiają poprawę innych parametrów, np. dopasowanie charakterystyki amplitudowej czy uniknięcie efektu turbulencji w otworze rezonansowym. Ponadto moje konstrukcje tubowe są wykonane w technologii szkieletowej, gdzie wiele wzmocnień stanowią jednocześnie tunele. Dzięki temu obudowa jest relatywnie bardzo lekka.

Dlatego też jestem zdania, że ilość produktów tubowych będzie rosła w miarę oswajania skomplikowanej technologii i obniżania kosztów produkcji jej zastosowania. Wydaje mi się, że jest to zjawisko podobne do ciągłego wzrostu ilości technologii impulsowej we wzmacniaczach estradowych. Analogie można zauważyć także w rosnąć popularności turbin na rynku silników spalinowych.

Draus Jarosław