A jelenség
A gyakorlatban megfigyelhető, hogy a dinamikus hangszórórendszerek általunk érzékelt hangminősége jelentősen eltér különböző elhelyezések esetén, illetve attól függően, hogy más mechanikai hatások (pl. ráhelyezett tárgy) befolyása alatt áll-e az eszköz. A tervezés és gyártás során a hangszórókat a lehető legjobb hangvisszaadási képességgel ruházzák fel a gyártók, mind az átviteli frekvencia, mind az elérhető maximális hangnyomásszint tekintetében, ahhoz, hogy összetett jelek, mint a beszédhang vagy a zene élvezhető minőségben legyenek reprodukálhatóak. Bármelyik hangszórót is nézzük, a rá jellemző frekvenciaátviteli tartomány csak részhalmaza lesz az emberi fül által hallható komplett spektrumnak, mely általában az oszcillátorrendszer rezonáns saját frekvenciáitól egy meghatározott maximális felső frekvenciaértékig terjed (kHz-tartomány). Természetesen a szélső értékek alatti és feletti frekvenciákon is fog sugározni a hangszóró, de itt a hang erőssége szignifikánsan alacsonyabb lesz, mint az átviteli tartományban. A gyakorlatban ez a működési frekvenciatartomány sokkal szűkebb, ha a hangszórót önállóan, szabadon állva használjuk, például egy asztalon, mintha beépítenénk a végső helyére.
Ha a hangszóró zenét sugároz, kevésbé gazdag, inkább vékony, szegényes, fátyolos hangzás jellemzi. A rendszer drámai változáson megy keresztül, mihelyt a hangszórót „dobozoljuk”: ekkor a hangzás hirtelen terjedelmessé, teljessé válik.
Háttér és magyarázat
Vajon miért történik ez? A megértéshez emlékeztetnünk kell az olvasót, hogy a hang nem más, mint „légmozgás”, a levegő periodikus előre és hátra történő mozgása. Hasonlóan a meteorológiában tapasztaltakhoz, a hangszóró membránja előremozdulásakor keltett léghullámok a kónusz előtt nagy nyomású, háta mögött pedig kis nyomású zónát hoznak létre. Mivel a valóságban a membrán nagy frekvenciával előre és hátra is mozog, a teljes hangszórót dinamikus rendszerként kell tekinteni, mely minden időpillanatban a nyomáskülönbségek kiegyenlítésére törekszik. A membrán előremozgásakor keletkező sűrített levegő kiegyenlíteni igyekszik a hátul keletkező alacsony nyomású, vákuumszerű légréteget.
A jelenséget a meteorológia szélként definiálja, ugyanez a helyzet az akusztikában is. (Ne feledjük, itt is légmozgásról van szó, még ha az intenzitása sokkal kisebb is!)
- A hanghullám (mozgó levegő) mindig a legrövidebben bejárható utat teszi meg ahhoz, hogy a nyomáskülönbséget kompenzálni tudja, ez pedig a membrán szélének közvetlen megkerülésével valósítható meg legegyszerűbben, szabadon használt hangszóró esetén. A keletkező szél károsan befolyásolja a hangminőséget, mert a visszafelé áramló levegőhullámok elnyomják a membrán keltette hanghullámok egy részét. Ahhoz, hogy a hatást csökkentsük, az utat növelni kell, ehhez pedig érdemes először is lezárni a membrán élei és a kosár közötti rést egy hab, impregnált szövet, hullámpapír vagy gumi tömítőgyűrűvel, ami mechanikai támogatást is nyújt a rugalmas felfüggesztés számára. A lezárás alakja és anyaga jelentősen befolyásolja a hangminőséget. Minden anyagnak vannak előnyös és hátrányos tulajdonságai (a poliészter hab például könnyű és olcsó, de az ózonra, UV-sugárzásra, a páratartalomra és a magas hőmérsékletre érzékeny).
- A hatás erőssége függ a hullámhossztól, így végső soron a membrán frekvenciájától: alacsonyabb frekvencián jelentősebb, mint magas frekvenciákon.
- Szélessávú átvitel (beszéd vagy zene) esetén elsősorban a mély hangok (basszus) nyomódnak el, az akusztikus szél hatására. Egyidejűleg a középhangoknál kevésbé, a magas hangok esetén egyáltalán nem érzékelhető a negatív hatás.
A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy az eredeti zene mély-magas hangaránya eltolódik, a hangzás vékonyabb, szegényesebb lesz. (Fontos megjegyezni, hogy magával a hangszóróval nincs semmi baj, az éllezárás önmagában nem oldja meg a problémát, azt majd a beépítés során kell orvosolni: a hangszóró nem hibás és nem is rossz. Ahhoz, hogy ideális módon lehessen mérni az akusztikai jellemzőket, a gyártók adatlapjaikban specifikálják a rekonstruálható mérési elrendezéseket, a beépítés pontos módját.)
Összefoglalva: a membrán mögötti hullámok részben kioltják a membrán előtti alacsony frekvenciás hanghullámokat, lévén azok ellenfázisúak (180°). Magasabb frekvenciákon a jelenség nem okoz gondot.
Lehetséges megoldások
- Az egyik lehetséges megoldás a hanghullámok hosszabb útra terelése, mielőtt a nyomásszintek kiegyenlítődnének. Egy érdekes kísérlettel bemutatható ennek a hatása. A dinamikus hangszóró, mely membránjának éle természetesen gyárilag le van zárva, tehát önmagában tökéletes eszköz, egy hosszú, lyukakkal ellátott csőbe van szorosan építve (lásd ábra). Amennyiben zenét játszunk le rajta keresztül, a hangzás szegényes lesz. A membrán előtti nagyobb légnyomás és a hangszóró mögötti kisebb légnyomás a lyukakon keresztüli rövid úton áramló akusztikus szelet kelt, ami igyekszik kiegyenlíteni a nyomáskülönbséget.
Ahhoz, hogy ezt az utat megnöveljük, a lyukakat egy, a csőre húzott papírtekerccsel lezárjuk: ezzel a szelet a cső hátsó végén lévő nyílás felé irányítjuk, és ennek hatására a hangminőség azonnal javul, sokkal teltebb hangzás tapasztalható.
- Ki kell emelni, hogy a sikeres nyomáskompenzálás hangenergia-veszteséggel jár, emiatt a hasznos (hallható) hang gyengébb minőségű (kisebb intenzitású a basszus).
- Másik megoldás — mint ahogy azt már írtuk előbb is — a hangszóró szélének szorosabb zárása a gyártáskor. Használhatók az említett tömítőgyűrűk, de néha teljes lezárást is alkalmaznak a gyártók, például ragasztással.
Gyakorlati segítség
A fent említett módszerek gyakorlati alkalmazásával a membrán éle mentén fellépő közvetlen nyomáskompenzáció nemkívánt hatása eredményesen csökkenthető.
A beépítés nyújtotta lehetőség szerint a hang a legrövidebb lehetséges úton igyekszik kiegyenlíteni a nyomásváltozást, ennek az útnak a hossza a legközelebbi nyílás távolságától függ. Ha ezt a távolságot a tervezés során növelni tudjuk, a basszushangokat fel tudjuk erősíteni. A tervezőknek különböző beépítési módokat ajánlanak a gyártók, ezek közül veszünk sorra néhányat az alábbiakban. A hangszóró élei körüli lezárás tehát a hang útját növeli meg a hangszóró háta mögé, ezzel javítva a basszushangok erősségét.
A legkézenfekvőbb és legkönnyebb eljárás az akusztikai rövidzár elkerülésére a hangszóró nagy méretű, egy helyen kilyukasztott panelbe való építése (A).
Még ennél is hosszabb utat tudunk kialakítani, ha a fal éleit is lehajtjuk (B), így a negatív hatást még inkább megszüntetjük. Ilyen elrendezést találunk egy sor olyan végerősítőben, ahol a hűtés miatt a hátoldal teljesen nyitott, vagy lyuggatott lemezzel zárt (pl. egyes gitárerősítők).
A teljesen zárt és a hangszórók élei mentén megfelelően hangszigetelt dobozok sokszor a legegyszerűbb és legjobb megoldást kínálják (C és E), de subwoofer-rendszerekhez nem alkalmasak, mert a veszteségek túl nagyok, és a hatásfok jelentősen csökken.
Egy, a teljesen zárt dobozból származtatott megoldás lehet a bass-reflex tokozás (D), ahol a háznak van még egy nyílása és egy hangcsatornája a panel elején, közel a hangszóróhoz. A rendszert oly módon kell megtervezni, hogy a dobozban kialakuló légpárna rezonátorként működjön. A hangolástól függő saját frekvencia környékén gerjesztve a hangfalat nagyobb hangnyomásszint érhető el. Ez alatt a frekvencia alatt az akusztikus rövidzár miatt a kimenet csillapított, felette pedig nincs jelentősége a problémának. Ezzel a módszerrel a hangfal sávszélessége egy oktávval is megnövelhető.
A hangszóró éleinek leghatásosabb lezárása mellett van még egy gyárilag kivitelezhető megoldás az akusztikai rövidzár negatív hatásának kiküszöbölésére, mégpedig a hangszóró teljesen zárt, miniatűr dobozba való gyári tokozása. A hangfal így gyakorlatilag teljesen visszahajtott és lezárt, így a nemkívánt nyomáskompenzálás, az akusztikai rövidzár nem is lehetséges. Az Endrich kínálatában ezek a gyári tokozású hangszórók is megtalálhatóak.
