Ludzki słuch obejmuje mniej więcej zakres od 20 Hz do 20 kHz. To dziesięć oktaw! Żaden pojedynczy przetwornik nie odtworzy tak szerokiego pasma równo, czysto i przy dużej głośności. Dlatego w systemach wielodrożnych sygnał trafia do kilku wyspecjalizowanych głośników, a o tym, którą część będzie odtwarzać dany głośnik, decyduje zwrotnica. Układ ten pracuje w domowych kolumnach, w nagłośnieniu estradowym, w konstrukcjach DIY i oczywiście w zestawach montowanych w samochodach, a jego projekt ma bezpośredni wpływ na to, jak dźwięk zabrzmi w kabinie, i na trwałość całego toru audio.
Dlaczego jeden przetwornik nie wystarczy?
Wymagania stawiane przetwornikom wzajemnie się wykluczają. W basowych konstrukcjach wymaga się dużej powierzchni membrany i sporego skoku, ponieważ przy niskich częstotliwościach trzeba poruszyć dużą masę powietrza i wytworzyć naprawdę duże ciśnienie. Góra pasma wymaga czegoś odwrotnego: lekkiej kopułki o średnicy około 25 mm, łatwo wprawianej w drgania, która nadąży za sygnałem zmieniającym kierunek kilkanaście tysięcy razy na sekundę.
Kłopoty zaczynają się wtedy, kiedy przetwornik wychodzi poza swój zakres:
- woofer grający zbyt wysoko zaczyna generować wąską wiązkę, a sam stożek przestaje pracować jak sztywny tłok, tylko wpada w rezonanse własne, które generują zniekształcenia;
- tweeter zasilony basem próbuje wykonywać wychylenia, do których nie został zaprojektowany. Przegrzewa się wówczas cewka drgająca, a kopułka i zawieszenie ulegają mechanicznemu uszkodzeniu.
Krótko mówiąc, głośniki dzielą się pracą. Zwrotnica nią zarządza.
Jak działa zwrotnica głośnikowa?
Skoro wiadomo już, po co dzielić pasmo, to teraz warto sprawdzić, jak kilka niepozornych elementów radzi sobie z tym zadaniem. Cała zasada opiera się na reaktancji. Opór stawiany przez cewkę prądowi przemiennemu rośnie wraz z częstotliwością, a w przypadku kondensatora – maleje.
- Wpięta szeregowo cewka przepuszcza niskie tony i dławi wysokie.
- Kondensator przepuszcza tony wysokie, a dławi niskie.
Z ich połączeń powstają filtry, które dzielą pasmo akustyczne na węższe fragmenty i kierują do każdego przetwornika odpowiednie częstotliwości. Podstawowe filtry w systemach audio dzielą się na trzy rodzaje:
- dolnoprzepustowy (LPF – Low Pass Filter) – ogranicza pasmo kierowane do głośnika niskotonowego, odcinając mu wysokie tony;
- górnoprzepustowy (HPF – High Pass Filter) – chroni głośnik wysokotonowy przed basem i niższym środkiem;
- środkowoprzepustowy (BPF – Band Pass Filter) – złożenie obu powyższych, stosowane w torze średniotonowym.
W kolumnach dwudrożnych wystarczą dwa filtry, które dzielą sygnał na niskie i wysokie tony. Układy trójdrożne, bardziej zaawansowane technicznie, rozdzielają pasmo na trzy części i wymagają filtra środkowoprzepustowego. Te dwa warianty spotyka się zdecydowanie najczęściej.
W praktyce, a nie w teorii, impedancja głośnika nie jest stała, ponieważ nieco rośnie przy rezonansie i w górnym paśmie, gdzie dochodzi do głosu indukcyjność cewki drgającej. Dlatego inżynierowie projektujący zwrotnice opierają się na rzeczywistych parametrach zmierzonych na stanowisku pomiarowym.
Istotny jest również to, jak stromo filtr odcina pasmo. Rząd filtra mówi, jak szybko sygnał jest tłumiony poza punktem podziału.
| Rząd | Nachylenie | Elementy w jednym torze | Przesunięcie fazy między drogami | Gdzie się go spotyka? |
| 1. | 6 dB/okt. | 1 | 90° | głośniki koaksjalne, proste zestawy |
| 2. | 12 dB/okt. | 2 | 180° | większość zestawów odseparowanych |
| 3. | 18 dB/okt. | 3 | 270° | wybrane konstrukcje pasywne |
| 4. | 24 dB/okt. | 4 | 360° | zwrotnice aktywne i DSP |
Od czego zależy częstotliwość podziału?
Producenci podają punkt podziału jako jedną liczbę w specyfikacji, choć za tą wartością stoi cała seria kompromisów. Podział wyznaczają wymiary i właściwości konkretnych przetworników. Dolną granicę dla tweetera określa jego częstotliwość rezonansowa, od której punkt podziału powinien leżeć co najmniej dwukrotnie wyżej, przy łagodnych zboczach lepiej nawet trzy- lub czterokrotnie. Górną granicę dla woofera wyznacza moment, w którym zawęża się jego kąt promieniowania.
Typowe wartości:
- zestaw dwudrożny w samochodzie – zwykle 2,5–4 kHz;
- zestaw trójdrożny – na przykład 320 Hz i 2,3 kHz;
- midbas w drzwiach w systemie aktywnym – filtr górnoprzepustowy około 60–80 Hz;
- subwoofer – poniżej 80 Hz.
Pasywna zwrotnica subwoofera to w aucie rzadko spotykane rozwiązanie. Powód wynika wprost z matematyki. Cewka pierwszego rzędu dla 4 Ω przy 80 Hz musi mieć prawie 8 mH, co przekłada się na… ponad kilogram miedzi i rezystancję, która wpływa negatywnie na moc. Dla porównania cewka dla 3 kHz ma nieco ponad 0,21 mH. Dlatego bas filtruje się elektronicznie, we wzmacniaczu albo w DSP.
Z czego zbudowana jest zwrotnica kolumny głośnikowej?
Po ściągnięciu osłony Twoim oczom ukaże się zaskakująco prosty układ, a jednak od jakości jego podzespołów zależy, czy filtr zachowa się tak, jak zaplanował konstruktor. Klasyczna zwrotnica pasywna składa się z trzech typów elementów: cewek, kondensatorów i rezystorów. Wszystkie leżą bezpośrednio na drodze sygnału, więc ich jakość ma mierzalne – a w praktyce słyszalne – znaczenie.
Cewki powietrzne czy rdzeniowe?
Największe różnice konstrukcyjne widać przy cewkach, bo ten sam parametr da się uzyskać na dwa odmienne sposoby.
- Cewka bez rdzenia ma stałą indukcyjność bez względu na natężenie prądu i nie wprowadza do sygnału dodatkowych zniekształceń. Wadą są wymiary oraz rezystancja; żeby uzyskać daną indukcyjność, trzeba nawinąć więcej drutu.
- Cewki z rdzeniem dają tę samą indukcyjność przy mniejszych gabarytach i niższej rezystancji stałoprądowej. Przy dużym prądzie rdzeń może jednak się nasycić, a wtedy indukcyjność chwilowo spada i filtr zmienia przebieg dokładnie w chwili, gdy muzyka gra najgłośniej.
Stąd częsty kompromis: w torach średnio- i wysokotonowych cewki są pozbawione rdzenia, a w torze basowym są rdzeniowe.
Zwrotnica pasywna czy aktywna – co lepsze w aucie?
Przy rozbudowie nagłośnienia w samochodzie prędzej czy później trzeba zdecydować, czy zostać przy zwrotnicach z zestawu, czy przenieść filtrowanie do procesora. To ważny wybór, bo różnice między zwrotnicą pasywną a aktywną są zaskakująco duże. Przede wszystkim zwrotnice pasywne montuje się między wzmacniaczem a przetwornikami; nie potrzebują zasilania, za to pracują na sygnale dużej mocy. Zwrotnica aktywna działa przed wzmacniaczem, na sygnale liniowym, a każda droga dostaje własny kanał końcówki mocy.
| Cecha | Pasywna | Aktywna (DSP) |
| Miejsce w torze | za wzmacniaczem | przed wzmacniaczem |
| Zasilanie | niepotrzebne | wymagane |
| Kanały wzmacniacza na stronę | jeden | po jednym na każdą drogę |
| Regulacja | stała lub zworki | częstotliwość, nachylenie, poziom, faza, opóźnienie |
| Straty mocy | obecne (DCR cewek, rezystory) | pomijalne |
| Koszty | w cenie zestawu | procesor i dodatkowe kanały |
W aucie przewaga wynikająca z zastosowania układu aktywnego jest większa niż w salonowych systemach Hi-Fi.
Kierowca siedzi niesymetrycznie, więc dźwięk z lewego i prawego zestawu dociera do niego z różnym opóźnieniem, co odpowiada za brak symetrii. W DSP za naprawę tego stanu rzeczy odpowiada korekcja czasowa. Żadna zwrotnica pasywna nie jest w stanie wprowadzić takiego opóźnienia.
Po stronie minusów znajduje się oczywiście budżet i strojenie sprzętu, najlepiej pomiarowe. Istnieją też opcje pośrednie, w których procesor steruje zestawem przez fabryczną zwrotnicę pasywną.
Zwrotnica w samochodzie – co sprawdzić przed montażem?
Nawet dobrze zaprojektowana zwrotnica zagra poniżej swoich możliwości, jeśli trafi do auta bez kilku prac przygotowawczych.
- Impedancja. Zwrotnica jest liczona pod konkretną impedancję, w car audio najczęściej 4 Ω, czasem 2 lub 3 Ω.
- Komplet. Zwrotnicę z zestawu odseparowanego zestraja się pod konkretne przetworniki, ich skuteczność i pasmo.
- Miejsce montażu. Zwrotnicę w drzwiach narażonych na wilgoć mocuje się po suchej stronie, stabilnie, żeby nie stukała przy basie.
- Miejsce tweetera. Tweeter skierowany wprost na słuchacza, na przykład w słupku A, często wymaga tłumienia –3 dB, a ten schowany nisko w drzwiach znacznie mniej lub wcale.
Teraz już wiesz, że zwrotnica, choć zwykle umieszczona w niewidocznym miejscu, ma ogromny wpływ na brzmienie całego systemu. To od niej zależy, czy przetworniki będą ze sobą współpracować, czy wchodzić sobie w drogę.
FAQ
Czy zwrotnicę z jednego zestawu można podłączyć do innych głośników?
Technicznie tak, ale nie jest to rozwiązanie zalecane, bo wartości elementów są liczone pod konkretne przetworniki. Tym samym podział niemal na pewno się przesunie. Wbrew temu, co sugerują niektóre posty na forach, efekt bywa słyszalnie gorszy niż z oryginalnym kompletem.
Czy przy DSP zwrotnica pasywna jest potrzebna?
Nie, jeśli każdy przetwornik ma osobny kanał wzmacniacza, a filtry ustawiasz w procesorze dźwięku. Przed pierwszym uruchomieniem zobacz jednak, czy filtr górnoprzepustowy tweetera jest aktywny, ponieważ puszczone w jego kierunku pełne pasmo może go szybko uszkodzić.
Czy sprzedawca pomoże dobrać zestaw ze zwrotnicą do auta?
Dobry sprzedawca zapyta o model samochodu, miejsca montażu i posiadany wzmacniacz, bo od nich zależy wybór między układem pasywnym a aktywnym. Najłatwiej szukać zestawów dopasowanych do konkretnego modelu auta.
