Budowa i strojenie subwoofera – od parametrów głośnika do ustawienia w pokoju

Budowa subwoofera zaczyna się od parametrów głośnika, a nie od piły i płyty. To one decydują, czy przetwornik zagra lepiej w obudowie zamkniętej, bass-refleks czy pasmowo-przepustowej, i jak duża ma być skrzynia. Drugą połowę pracy stanowi strojenie: dobór tunelu na etapie budowy, a potem ustawienie poziomu, częstotliwości podziału i fazy w pomieszczeniu odsłuchowym.

Parametry Thiele-Smalla – punkt wyjścia projektu

Parametry Thiele-Smalla to zestaw danych elektromechanicznych, które opisują zachowanie głośnika w zakresie niskich częstotliwości. Producenci podają je w kartach katalogowych, a konstruktor na ich podstawie symuluje pracę przetwornika w obudowie i oblicza jej wielkość oraz wymiary tunelu bass-refleks. Nazwa pochodzi od nazwisk A. Neville’a Thiele’a i Richarda H. Smalla, którzy rozwinęli tę metodę analizy.

Najważniejsze wartości w karcie katalogowej

• Fs – częstotliwość rezonansowa głośnika. W głośnikach niskotonowych wynosi zwykle od 13 do 60 Hz. Sygnały wyraźnie poniżej Fs wywołują duże wychylenia membrany, groźne dla przetwornika.
• Qts – całkowita dobroć, czyli łączne tłumienie elektryczne i mechaniczne. Większość głośników ma Qts między 0,2 a 0,5.
• Vas – objętość powietrza o takiej samej sprężystości jak zawieszenie głośnika. Im większa wartość, tym bardziej miękkie zawieszenie i zwykle większa potrzebna obudowa.
• Xmax – maksymalne liniowe wychylenie membrany w milimetrach. Po jego przekroczeniu praca głośnika staje się nieliniowa.
• EBP – iloraz Fs i Qes, orientacyjna wskazówka wyboru obudowy (opis niżej).

Dane katalogowe to średnie z produkcji, a nie pomiar konkretnego egzemplarza. Typowa tolerancja fabryczna wynosi około 15% dla Fs i 20-30% dla Vas, dlatego przy bardziej wymagających projektach parametry mierzy się samodzielnie, najczęściej na podstawie impedancji głośnika w pobliżu rezonansu. Warto zrobić to po kilku godzinach pracy głośnika, bo część parametrów zmienia się na początku eksploatacji. Więcej szczegółów, łącznie ze wzorami, zawiera opis parametrów Thiele-Smalla w Wikipedii.

Typy obudów subwoofera i ich właściwości

Popularna reguła oparta na parametrze EBP mówi, że głośnik z EBP powyżej 100 lepiej sprawdzi się w obudowie z otworem, a z EBP poniżej 50 w obudowie zamkniętej. Przy wartościach od 50 do 100 obie konstrukcje mogą działać dobrze.

Obudowa zamknięta

Obudowa zamknięta jest praktycznie szczelna i zachowuje się jak filtr górnoprzepustowy drugiego rzędu. W porównaniu z bass-refleksem ma lepszą odpowiedź impulsową, czyli bas szybciej wygasa. Jej przewagą jest też lepsza ochrona głośnika przed nadmiernym wychyleniem w najniższym zakresie.

Obudowa bass-refleks

W obudowie bass-refleks powietrze w tunelu rezonuje ze sprężystym powietrzem wewnątrz skrzyni, podobnie jak w butelce, nad którą dmuchamy. Dzięki temu układ oddaje więcej basu przy tym samym wychyleniu membrany. Kosztem jest dłuższe wybrzmiewanie niskich tonów, bo bass-refleks to układ czwartego rzędu. Poniżej częstotliwości strojenia tunel przestaje obciążać membranę, więc głośnik łatwo przekroczy bezpieczne wychylenie nawet przy niewielkiej mocy. Z tego powodu mocne systemy tego typu zabezpiecza się filtrem górnoprzepustowym, który usuwa sygnał poniżej częstotliwości strojenia.

Obudowa band-pass

W obudowie pasmowo-przepustowej głośnik jest zamknięty w środku, zamontowany na ścianie dzielącej dwie komory. Każda komora jest strojona na inną częstotliwość, a pasmo przenoszenia jest sumą ich charakterystyk. Wyższe składowe basu są mocno tłumione, więc filtr dolnoprzepustowy nie jest konieczny, choć w praktyce stosuje się filtr pierwszego rzędu przeciw rezonansom pasożytniczym. Zabudowany głośnik jest też chroniony przed mechanicznym uszkodzeniem, co sprzyja zastosowaniom w samochodzie. Opis wariantów z jednym i dwoma głośnikami zawiera artykuł o obudowie band-pass w serwisie Loudspeaker.pl.

Strojenie obudowy bass-refleks

Strojenie obudowy to dobór częstotliwości rezonansu Helmholtza, czyli rezonansu powietrza w tunelu i w skrzyni. Zależy ona od:

• efektywnej długości tunelu,
• pola jego przekroju,
• objętości wewnętrznej obudowy,
• prędkości dźwięku w powietrzu.

Dawniej wymiary tunelu ustalano metodą prób. Obecnie oblicza się je za pomocą tabel i programów, ale nawet wtedy sprawdzenie prototypu na słuch pozostaje potrzebne.

Typowe błędy przy strojeniu

• Zbyt wysokie lub zbyt niskie strojenie – daje nadmiar basu w okolicy częstotliwości strojenia i efekt jednej dudniącej nuty. Jeśli ten szczyt pokryje się z rezonansem pomieszczenia, problem staje się jeszcze wyraźniejszy. Im niżej dostrojony tunel, tym mniej dokuczliwe są te objawy.
• Za mały tunel – przy dużej prędkości powietrza powstaje słyszalny szum i dmuchanie.
• Tunel z tyłu skrzyni przy samej ścianie – taki subwoofer potrzebuje wolnej przestrzeni wokół otworu, inaczej pojawiają się słyszalne problemy.

Przy wysokich poziomach głośności skuteczność tunelu spada, a rosną zniekształcenia. To zjawisko, nazywane kompresją portu, można ograniczyć odpowiednią konstrukcją tunelu, ale nie da się go całkiem wyeliminować.

Skrzynia, wytłumienie i wzmacniacz

Na forach hobbystów przy budowie obudów zamkniętych pojawiają się zwykle płyty MDF, na przykład 19 mm na ściany i grubszy front, a także wewnętrzne żebra i poprzeczki usztywniające. Ich wykonanie kosztuje niewiele, więc doświadczeni konstruktorzy zalecają je bez dyskusji.

W obudowie band-pass wytłumienie wnętrza nie jest wymagane, bo przy braku wyższych częstotliwości fale stojące nie stanowią problemu. Wystarczy niewielka ilość materiału tłumiącego w komorze zamkniętej.

Przy doborze wzmacniacza nie warto ufać wyłącznie mocy podanej przez producenta głośnika. Moc termiczna bywa zawyżana, a głośnik, który przy 200 Hz wytrzyma 200 W, przy bardzo niskich częstotliwościach, np. 10 Hz, może się uszkodzić już przy kilku watach. Rzeczywista odporność mechaniczna zależy w dużej mierze od obudowy. Przy dwóch głośnikach trzeba też pilnować poprawnego podłączenia, żeby nie pracowały w przeciwfazie.

Ustawienie subwoofera w pokoju

Miejsce ustawienia wyraźnie zmienia charakter basu:

• środek pokoju – bas najbardziej precyzyjny, ale nieco słabszy,
• przy ścianie – basu jest dużo i nadal jest w miarę precyzyjny,
• w narożniku – najwięcej basu, lecz najmniej precyzji.

Ucho słabo lokalizuje źródło niskich dźwięków, co daje pewną swobodę. Mimo to niewielkie przesunięcie subwoofera potrafi wyraźnie zmienić dudnienie wynikające z rezonansów pomieszczenia, więc warto przetestować kilka pozycji. Przy dwóch subwooferach można przejść się po pokoju przy włączonym jednym z nich i ustawić drugi tam, gdzie bas słychać najciszej, a pierwszy tam, gdzie najgłośniej.

Regulacja poziomu, podziału i fazy

Poziom głośności

Na początek regulator głośności w subwooferze ustawia się w okolicy jednej trzeciej do połowy zakresu, a dalszą korektę robi w amplitunerze. Zbyt wysoki poziom w samym subwooferze zmusza amplituner do skrajnie niskich korekt, co zwykle świadczy o złym ustawieniu wyjściowym. Prosty sposób na dopasowanie: słuchacz siedzi na swoim miejscu, a pomocnik powoli podgłaśnia subwoofer, aż jego głośność zbliży się do głośności kolumn głównych.

Częstotliwość podziału

Częstotliwość odcięcia można dobrać na słuch, również z pomocnikiem, który zwiększa ją pokrętłem, aż średni bas zabrzmi najlepiej w miejscu odsłuchu. Zbyt wysokie odcięcie daje zwykle wrażenie nadmiaru średniego basu.

Faza

Jeśli po włączeniu subwoofera basu wydaje się mniej, subwoofer i kolumny prawdopodobnie nie pracują zgodnie w fazie. Punktem wyjścia jest faza 0 stopni dla subwoofera stojącego przed słuchaczem i 180 stopni dla ustawionego za nim. Dokładny opis tej procedury zawiera poradnik RMS.pl o ustawianiu subwoofera.

Najczęściej zadawane pytania

Jak ustawić subwoofer, aby uzyskać optymalne brzmienie?

Najpierw wybierz miejsce, sprawdzając kilka pozycji, bo nawet niewielkie przesunięcie zmienia dudnienie. Potem ustaw głośność subwoofera na jedną trzecią do połowy skali, dopasuj ją do kolumn, dobierz częstotliwość podziału na słuch i sprawdź fazę.

Jak zbudować skrzynię basową?

Zacznij od parametrów Thiele-Smalla wybranego głośnika i na ich podstawie wybierz typ obudowy oraz jej objętość. Wymiary tunelu bass-refleks oblicz w programie, a gotowy prototyp sprawdź odsłuchowo. Ściany warto usztywnić wewnętrznymi żebrami.

Co zrobić, żeby subwoofer nie buczał?

Przesuń subwoofer, bo buczenie często wynika z rezonansów pomieszczenia. Sprawdź, czy poziom głośności i częstotliwość odcięcia nie są ustawione za wysoko. W konstrukcji bass-refleks przyczyną bywa też źle dobrana częstotliwość strojenia tunelu.

Źródła:

• Wikipedia (en) – Thiele/Small parameters
• Wikipedia (en) – Bass reflex
• Loudspeaker.pl – Obudowa subwoofera typu band-pass
• Audiostereo.pl – Budowa subwoofera (wątek forum)
• RMS.pl – Jak ustawić subwoofer
• Teufel Blog – Ustawienie subwoofera: porady
• Salony Denon Blog – Subwoofer w bloku: jak ustawić poziom i ograniczyć bas