רמקולים ושמע – פרק ב´

התיבה

לשאר הפרקים בסדרה

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע – פרק א´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע – פרק ב´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע – פרק ג´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע – פרק ד´

טכנולוגיה אודיו: רמקולים ושמע – פרק ה´

התיבה

נראה שתפקידה של התיבה זה להחזיק מכאנית את הרמקולים ולשמש גם כרהיט דקורטיבי´ אבל למעשה´ הסיבה העיקרית של שימוש בתיבה נובע מאופן פעולתו המורכב של הרמקול.

כדי שרמקול יפעל נכון וידחוף אויר בצורה יעילה לכיוון המאזין אסור לאוויר שנמצא בחלקו הקדמי של הרמקול להגיע לאוויר שנמצא בחלקו האחורי.

האיור הבא ממחיש את הבעיה:

כשהממבראנה נעה קדימה, נוצר לחץ שמניע את האוויר קדימה. בחלקה האחורי של הממבראנה נוצר תת לחץ והאוויר שנדחף בחלקה הקדמי של הממבראנה מוצא "דרך קיצור" ובמקום לנוע רק קדימה הוא חוזר לחלק האחורי של הממבראנה כדי לסתום את החור של התת לחץ. תופעה זו גורמת להקטנת כמות האוויר שנעה קדימה כי חלק מהאוויר חוזר אחורה.

כמובן שכשלחץ האוויר לאוזן יורד גם עוצמת הצליל שמגיע לאוזן דועך וחלק מתדרי השמע (Bass בעיקר) נעלמים לגמרי.

מה הפתרון, לחסום את אפשרות מעבר האוויר מחלקו הקדמי של הרמקול לחלקו האחורי ואת זה עושים ע"י הכנסת הרמקול לתיבה. למעשה חסימת תנועת האוויר מחלקו הקדמי לחלקו האחורי של הרמקול זאת הסיבה העיקרית לשימוש בתיבה.

ככל שהתיבה גדולה יותר כך יש בתוכה יותר נפח של אוויר והממבראנה תנוע ביתר קלות והשפעת התיבה על פעילותו של הרמקול תקטן.

התיבה משמשת גם כגורם דקורטיבי, אבל גם משפיעה חשמלית-אקוסטית על תגובת הרמקול ובעזרת תכנון נכון מאפשרת מיצוי יעיל יותר של הצליל, בעיקר בתחום התדרים הנמוכים (Bass).

אם נתבונן בעקום היענות של רמקול הבנוי בתיבה סגורה נקבל משהו כזה (Close Box):

אפשר לראות שעוצמת השמע מתחילה לדעוך כבר מ 200 תנודות לשנייה (ציר ה Freq) ויורדת בגרף מתון עד 10 תנודות לשנייה. אם ניקח נקודת התייחסות של ירידת עוצמה ב 10dB נראה שזה מתקיים בתדר של 40 תנודות לשנייה.

אבל אפשר גם אחרת.

הפורט

אם נתחכם ונהפוך את התיבה ליחידה "שעובדת" עם הרמקול נראה שאפשר להשפיע על התוצאה. להשפיע לטוב או לרע, הכול תלוי בתכנון.ע"י פתיחת פתח בתיבה ושחרור חלקי של לחץ האוויר שבתיבה משנים את תכונות התיבה והתאמתה לרמקול.

בתיבה פותחים פתח, בדרך כלל עגול (Port), וברוב הרמקולים גם מכניסים צינור שאורכו וקוטרו מחושבים. הפתח החדש בארגז הרמקולים משחרר את לחץ האוויר שיוצרת תנודת הרמקול והרמקול נע ביתר קלילות.

אבל זה לא הכול, החור הנוסף בתוספת צינור מותאם משפיע דרמטית על תוצאת הצליל.

מבחינה מתמאטית תיבת הרמקול דומה לקבל שגודלו משתנה לפי גודל התיבה וה Port (הפתח + הצינור) מתנהג כמו סליל וביחד הם מהווים מעגל תהודה מוגדר. מעגל תהודה שעובד עם הרמקול.

גם לרמקול יש תדר תהודה, זה התדר שבו הממבראנה מתנדנדת הכי בקלות. עובי הממבראנה, גודלה, קפיציות החיבור, גודל הסליל ועוד גורמים נוספים (בעיקר מכאניים) מגדירים את אופיו ותדר התהודה של הרמקול. ע"י תאום בין תדר התהודה של התיבה ותדר התהודה של הרמקול אפשר "למשוך" יותר תדר נמוך ממה שהרמקול היה מפיק בתיבה סגורה.

עקום ההיענות בתיבה עם פתח שמתואם היטב יראה כך (Vented Box):

אפשר להבחין שרמקול הבנוי בתיבה עם פתח מפיק יותר באס, אבל מתדר מסוים (בדוגמה שלפנינו מתדר של 50 תנודות בשנייה) הצליל נופל ונעלם לגמרי במהירות בהשוואה לרמקול שמותקן בתיבה ללא פתח.

ואם נחזור לנקודת הייחוס הקודמת, נראה שגם כאן נקודת הירידה של 10dB נמצאת בתדר של 40 תנודות לשנייה אבל ההבדל בתחום של 50 עד 200 תנודות בשנייה די ברור לטובת התיבה עם ה Port.

תיבת רמקולים עם פתח מבוקר לשחרור אוויר מוגדרת כתיבה עם Bass Reflex.

לנוחיות, נשרטט את העקומות ביחד ונוסיף עוד עקום בתכנון שונה עם אותה יחידת רמקול:

הגרף הירוק מראה היענות של רמקול בתיבה סגורה. הגרף החום מראה גרף של רמקול זהה בתיבה עם פתח מתואם היטב.

אז מה זה הגרף האדום?

הגרף האדום מראה שבעזרת תכנון שונה של ה Port וגודל התיבה אפשר לדחוף את אותו הרמקול כדי שיצליח להפיק תדרים מאד נמוכים בעוצמה חזקה. הגדלה "בכוח" של עוצמת הבאסים גורמת בהכרח לצליל לא שווה בכל התדרים ולהדגשה של חלק מהם, ובמקרה הזה הצליל ישמע "בומי" וכנראה גם לא נעים לאוזן.

חלק מהחברות המייצרות מערכי רמקולים נוקטות במכוון בשיטה הזאת כדי להרשים את העין והאוזן – תיבה קטנה עם באס חזק.

אמנם Bass Reflex נשמע כתכנון מעולה, אבל אליה וקוץ בה – עכשיו כבר התיבה מקרינה את הצליל משני מקורות.

צליל אחד מגיע לאוזן מהרמקול עצמו והצליל השני מגיע לאוזן מהפתח הנוסף בתיבה (ה Port), ומכיוון שהמרחקים בין המקורות לא שווים, גם הצלילים מגיעים לאוזן בזמן שונה ונוצר מצב שבתדרים מסוימים העוצמות ליד האוזן מסתכמות ובתדרים אחרים הן מתחסרות. כלומר, חלק מהצלילים מוגברים וחלקם מונחתים בהתאם לתדר ומיקום המאזין.

אחד מהפתרונות להקטנת ההשפעה השלילית של הפתח הנוסף זה לבנות אותו בחלק האחורי של התיבה אבל מקרה זה מונע את האפשרות להצמיד את התיבה לקיר אחורי, וגם יוצר במידה מסוימת עודף החזרות מקיר זה.

אז מדוע בכל זאת רוב יצרני מערכות הרמקולים משתמשים ב"תרגיל" ה Port במקום להשתמש ברמקול יותר גדול?

הסיבה כפולה.

מבחינה דקורטיבית יש דרישה לתיבות רמקולים קטנות כך שגם יראו יפה יותר וגם יתאימו בקלות למבנה החדר, וזה כמובן מחייב שימוש ביחידות רמקול בעלי קוטר קטן. הבעיה שיחידות רמקול קטנות לא מסוגלות לרדת לתדרים נמוכים ולכן יש צורך "לעזור" להן להוציא באסים וכאן נכנסת המתמטיקה לעזרה בצורת מבנה ופתח מיוחד בתיבה הלא הוא ה – Port.

הסיבה השנייה לשימוש ברמקול בעל קוטר קטן היא סיבה עמוקה יותר הקשורה לניקיון הצליל.

כדי להפיק תדרים נמוכים משתמשים ברמקול גדול, או ליתר דיוק, בממבראנה בעלת שטח גדול. ממבראנה גדולה היא גם ממבראנה כבדה שמשנה את תדר התהודה של הרמקול ומורידה את נצילותו כך שנאלצים לדחוף הרבה הספק כדי לקבל אות אקוסטי נתון. רצוי לכן להקטין את משקל הממבראנה, וחלק מהיצרנים עושים זאת ע"י הקטנת עובי החומר שממנה היא עשויה ובכך מקלים על התנועה שלה.

בעקיפין גם יוצרים עיוותים.

הממבראנה

הממבראנה

כשהחלק הפנימי של הממבראנה נדחף קדימה ואחורה ע"י המגבר, נוצרים בממבראנה רכה גלים שמתפשטים על פני החומר מהקצה הפנימי לקצה החיצוני ובחזרה וגורמים לעיוותים בצליל.

אחד הפתרונות למניעת הרעידות בממבראנה זה לבנות אותה דקה וקשה (סוגים של חומר קראמי  או פוליפרופילן). אבל זה פתרון יקר.

פיתרון שני הוא פשוט יותר – להקטין את גודל הממבראנה, או במילים אחרות להרכיב בתיבה רמקול קטן.

לא פחות חשוב הוא החומר ממנו עשויה התיבה. התיבה אמורה להיות פסיבית ולא להוות מקור צליל כל שהוא ולכן חייבים לבנות אותה מחומר עבה וכבד ובעל תהודה עצמית נמוכה כמו עץ מלא, MDF, סיבית וכו´.  חשוב גם לדאוג לחיבורים קשיחים בין הלוחות. בתיבות גדולות מוסיפים גם תמיכות וחיזוקים בחלל התיבה.

בחלק מהתיבות הוסיפו בבסיס התיבה תא למילוי חול. החול מגדיל את משקל התיבה ובכך מקטין את זעזוע העץ בזמן תנועת האוויר בתוכה.

דרך נוספת למניעת רטט בלוחות התיבה כשהאוויר משתולל בתוכה מצד לצד (עד כמה שזה נשמע מוזר) זה לבנות אותה מלוחות שיש, אבל המשקל…..  

עוד נושא שקשור ברעידות הוא נושא החזרות הצליל בתוך התיבה. הצליל שיוצר הרמקול בחלק הפנימי של התיבה מדלג מדופן לדופן ומוסיף הדהוד לא רצוי. כדי להפטר מההדהוד מרפדים את דפנות התיבה בחומר בולע קול כדוגמת אורלון, צמר סלעים או כל חומר משכך אחר. ככל שכמות החומר גדולה יותר כך גם ירוסן ההדהוד במידה רבה יותר, אבל לחילופין יגרום להקטנת הנפח המעשי של התיבה.

לרמקול בודד די קשה להשתלט על תחום התדרים שהאוזן מסוגלת לקלוט ולכן מפצלים את הצליל לתחומי תדרים וכל תחום מנותב לרמקול אחר שמתאים לעבוד בתחום זה. לרמקול בודד נקרא רמקול או דרייבר (Driver) ולאוסף של כמה רמקולים במארז (בתיבה) נקרא מערכת רמקולים (Speaker System).  אם לצורך יצירת כל תחום הצלילים מפוצל הצליל בתיבת הרמקולים ל 2 תחומי תדר (בדרך כלל ל 2 רמקולים) מוגדרת מערכת הרמקולים כ Two-Way. במקרה שהתדרים בתיבה מפוצלים ל 3 תחומים, ההגדרה היא Three-Way וכו´.

כדי להפיק תדרים נמוכים יש דרישה מהממבראנה לדחוף הרבה אוויר אבל במהירות יחסית נמוכה, לכן בתדר נמוך משתמשים ברמקול עם ממבראנה גדולה. בתדרים גבוהים יש צורך לדחוף פחות אוויר, אבל במהירות גבוהה (עד 20000 תנודות בשנייה) ולכן במקרה זה משתמשים בממבראנה קטנה וקשיחה.

רמקול גדול, רמקול קטן, צינור ומארז – אם אפשר לסכם את פרק זה של מבנה הרמקול והרכבתו בתיבה, זה כנראה יראה כך (אנימציה!):

שימו לב – לאנימציה הזו לוקח זמן לעלות !

אז אם יחידות הרמקול פועלות כל אחת בתחום תדר שונה, מה שעוד חסר בתיבה זה להכניס מעגל שמפצל את הצלילים לתחומי תדרים ומנתב תדרים אלו לרמקול המתאים.

הקרוס

הקרוס

כיוון שכל רמקול פועל בתחום אחר של תדרים, אין צורך ואפילו לא רצוי להעביר לכל הרמקולים את כל תחום התדרים, זה רק מעמיס אותם בעודף הספק וגורם לכפילות צליל מיותר ממקור אחד. היחידה שמחלקת את תחום הצלילים שנכנס לתיבת הרמקולים מהמגבר ומנתב אותם ליחידת הרמקול המתאימה הוא הקרוס (Crossover).

תפקידו הבסיסי של הקרוס  (Crossover) הוא לסנן את מגוון התדרים לתחומי צלילים ולהעביר כל תחום לרמקול המתאים.

במקרה שתחום הצלילים מחולק ל 2 (Two-way), קובעים נקודת תדר חיתוך אחד בין הרמקולים, כל תדר מתחת לתדר נקודת החיתוך מועבר ל Woofer, וכל תדר מעל נקודת החיתוך מועבר ל Tweeter.

במפרט מערך הרמקולים, לפעמים היצרן רושם את נתון התדר שבו הקרוס מתחיל להעביר את האותות מיחידת ה Woofer ליחידת ה Tweeter. נתון זה נקרא Crossover Frequency ונרשם ביחידות הרץ. תדרים מקובלים במערך Two-way זה 2000 עד 2500 הרץ.

הקרוס בנוי מרכיבים חשמליים כמו סלילים, קבלים ונגדים. כל החלקים במעגל ה Crossover הם חלקים פסיביים ואין בהם יחידות הגברה כדוגמת טרנזיסטורים או מגברי שרת. חלקים אלו אינם זקוקים למתח פעולה חיצוני ולכן ניתן למעגל השם קרוס פסיבי – Passive Crossover.

מעגל סינון הכוללים מגברים אקטיביים נקרא Active Crossover, והוא בדרך כלל לא נמצאים בתיבת הרמקולים.

יוצא מן הכלל זאת יחידת הבאס האקטיבי ששם המסנן והמגבר בנויים בתוך התיבה.

Crossover  בסיסי בנוי משני מסננים. אות מהמגבר נכנס לשני המסננים ביחד אבל כל מסנן מעביר רק את תחום התדרים המתאים לרמקול שמחובר אליו. ה Woofer מקבל את תחום התדרים הנמוך, עד כ- 2000 פעימות בשנייה, וה- Tweeter מקבל את התדרים שמעל 2000 פעימות בשנייה.

כשבתיבה מחולק התדר לשלושה תחומים (Three-way) משתמשים בשלושה מסננים כשהמסנן הנוסף הוא מסנן שמעביר תדרים בינוניים.

בדרך כלל לא משתמשים ביותר משלושה תחומי תדרים. אפילו אם בתיבה ישנם 5 רמקולים שמחוברים ביחד (מקבילי או טורי) זה לא הופך את הקרוס (או את התיבה) ל Five-way.

איכות החלקים המרכיבים את המסננים חשוב ביותר. הסלילים חייבים להיות בנויים מחוט עבה ורצוי שיהיה מלופף באוויר כמו בתמונה. סלילים שמלופפים על בסיס מתכתי כמו פריטים שמרכזים את השטף המגנטי, עוזרים אמנם להקטנת מספר הליפופים ולהקטנת התנגדות החוטים אבל עלולים להיכנס לרוויה בהספקים גבוהים ולגרום עיוותים. הקבלים חייבים להיות לא קוטביים ועם Q גבוה כדי לא להכניס התנגדות לא רצויה בדרך לרמקול וכדי לאפשר למסנן לסנן ביעילות תדרים לא רצויים.

לקרוס ישנה השפעה נוספת דרמטית. סוג המסננים ושיפוע הניחות שלהם בשילוב עם מיקום הרמקולים בתיבה משפיע על זווית קרינת הצליל, וכתוצאה מזה לרגישות גבוהה יותר של מיקום הרמקול בחדר, אבל זה כבר בפרק אחר.

בדרך כלל נמנעים מלהכניס מעגלים אלקטרוניים למאמרים, אבל בכל זאת, לאלקטרונאים שבינינו, קצת על ההבדלים האלקטרונים במסננים.

השרטוט מציג שני סוגי Crossover ולשם הפשטות השרטוט מראה Cross  רק עבור יחידת ה Woofer:

1. מסנן LPF אמיתי ופשוט שקיים בהרבה מתיבות הרמקולים הסטנדרטיות
2. מסנן יותר מורכב שאותו אפשר למצוא בתיבות היקרות יותר.

המסנן הפשוט משמש רק לסלק את התדרים הגבוהים שמגיעים ל Woffer בשיפוע של 12dB לאוקטבה.

לעומתו, אפשר לראות את האלקטרוניקה של המסנן המשופר. מסנן זה בנוי לסינון הכפול, 24dB לאוקטבה, וגם בתוספת של מעגל תהודה מדויק הוא מתקן את אי הרציפות הקיימת בהתנגדות הרמקול בנקודת תדר התהודה שלו. תוספת של עוד כמה חלקים חשמליים גורמת לשיפור הקשר בין ה Woofer וה Tweeter (נקודת חיתוך תדר בצורה חדה), וגם עוזר "להראות" למערכת ההגברה התנגדות זהה עד כמה שאפשר בכל תחום התדרים. במקרה שמזהים הדגשת יתר בתדר מסוים אפשר להוסיף מעגל לכידה לתדר זה מה שמשפר את הענות הרמקול וגורם לצליל יותר שקוף במוצא.

אפשר לסכם שה Crossover הוא חלק בלתי נפרד ממערך הרמקולים, הוא בנוי לפי הסוג והנתונים שלהם ויש לו השפעה גדולה על איכות הצליל ועל פיזורו בחדר.  

בהמשך, הקשר בין כל המרכיבים שתוארו עד כאן לבין זווית הקרינה של הצליל שמוקרן מהתיבה בתחום התדרים הקריטי של השמע.

לתגובות למאמר בפורום, לחצו כאן