רמקולים ושמע, חלק ה´

בחלק הראשון של סדרת המאמרים הוקדש פרק לתיאור מבנה ודרך פעולתו של הרמקול. את תפקיד ההמרה מאות חשמלי לאות אקוסטי ...

7:00
  /  
23.02.2009
  
כתב: מוטי כהן
רמקול אלקטרוסטטי

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´

רמקול אלקטרוסטאטי

אני מניח שלא פעם אנחנו נתקלים בתופעה של המסרק והשיער הזקור. בזמן סירוק השיער נוצר חיכוך בין השיער והמסרק ומתרחשת תופעה מעניינת שהמסרק נטען במתח חשמלי גבוה שמושך את השערות ולפעמים אפילו קרבה פיזית למסרק יוצרת פריקת מטען חשמלי שמלווה בניצוץ.

החלק המעניין שקשור לתופעה זו ולרמקולים זאת התופעה שאם מסרק שטעון במטען חשמלי מתקרב לשיער, השיער נמשך אליו וזז לכיוונו.

מטען חשמלי יציב ללא זרם מוגדר כמטען סטטי. התופעה הפיזיקאלית שגורמת למטעני חשמל מנוגדים להמשך זה לזה ולמטעני חשמל שווים לדחות זה את זה היא הבסיס למבנה הרמקול האלקטרוסטאטי.

הרמקול האלקטרוסטאטי בנוי מדיאפרגמה (ממבראנה) דקה. החומר שממנו בדרך כלל עשויה הדיאפרגמה הוא פלסטיק (פוליאסטר) בעובי של כ 10 מיקרו מטר. משני צידי הדיאפרגמה מוצבת רשת מתכתית.

 

מתחו החיובי של ספק כוח, בערך של כמה אלפי וולטים, מחובר לדיאפרגמה ומתחו השלילי מחובר לשתי הרשתות שבצידי הדיאפרגמה. אות השמע מהרסיבר מוכפל בעזרת שנאי מיוחד ומסתכם למתח הרשתות. מכיוון שלדיאפראגמה יש מטען אלקטרוסטאטי שווה כלפי הרשת הקדמית והרשת האחורית, כוחות המשיכה-דחייה שמופעלים עליה משני הרשתות שווים והיא מתייצבת במרכז ללא תנועה.  

.

אות שמע גורם לעליית מתח חיובי באחת הרשתות ובו בזמן לעליית מתח שלילי ברשת השנייה. במצב זה המטענים האלקטרוסטאטיים היחסיים בין הרשתות לא שווים וגורמים לדיאפרגמה לזוז. כשהמטען ברשת האחורית הופך לחיובי הוא דוחה את הדיאפרגמה. בו זמנית המטען ברשת הקדמית הופך לשלילי ולכן הוא מושך את הדיאפראגמה. במצב זה הדיאפראגמה זזה לכיוון קידמת הרמקול.

 

כשהמטען ברשת האחורית הופך לשלילי, הוא מושך את הדיאפרגמה, בו זמנית המטען ברשת הקדמית הופך לחיובי ולכן הוא דוחה את הדיאפראגמה, במצב זה הדיאפראגמה זזה לכיוון חלקו האחורי של הרמקול.

המיוחד ברמקול האלקטרוסטאטי הינו שפרט לדיאפראגמה אין חלקים מכאניים אחרים בתנועה. הדיאפראגמה מאד דקה וקלה כך שהיא מסוגלת לנוע בחופשיות ובמהירות מה שמאפשר לבנות גל שמע גם בתדר גבוה וגם עם עיוותים מינימאליים. ברמקול זה אין בעיות בלימה כי הדיאפראגמה לא נכנסת לתהודה בתדרי השמע ולכן הרמקול לא מחייב מגבר עם Damping Factor גבוה.

להבדיל מרמקול רגיל בו מקור הפקת הצליל נקודתית, הצליל ברמקול אלקטרוסטאטי מופק ממשטח והצלילים יוצאים גם מחלקו האחורי לכן מיקומו בחדר די חשוב, זה נראה כחיסרון, אבל חובבי מוזיקה משתמשים בתכונה זאת כיתרון להגדלת פיזור הצליל בחדר.

רמקול אלקטרוסטאטי מסוגל לעבוד בכל תחום תדרי השמע אבל ככל שהתדר יורד המלאכה נעשית קשה יותר. הפקת באסים ברמקול אלקטרוסטאטי זאת בעיה, מכיוון שהרמקול האלקטרוסטאטי לא נמצא בתיבה, תדר נמוך עד כ- 100 תנודות לשנייה, דועך כמו שהוסבר בחלק השני של סדרת המאמרים.

בבאסים יש צורך שהדיאפראגמה תזיז הרבה אוויר ולכן יש צורך שהדיאפראגמה תנוע בפסיעה גדולה. פסיעה גדולה עלולה להביא את הדיאפראגמה קרוב לרשתות, ובגלל המתח הגבוה בין הרכיבים עלול לפרוץ ניצוץ והדיאפראגמה עלולה להינזק פיזית (חורים). כדי לעקוף את בעיית התדר הנמוך, מציידים את רוב מערך תיבת הרמקול האלקטרוסטאטי ברמקול רגיל שתפקידו להשלים את תחום התדרים הנמוכים. בעזרת קרוס מתאים מנתבים רק את התדרים הגבוהים יותר ליחידה האלקטרוסטאטית.
ברמקול אלקטרוסטאטי יש ספק למתח גבוה ולכן חובה לחברו לרשת החשמל.

רמקול Transmission Line

רמקול Transmission Line

 

ה- Transmission Line הוא רמקול שמשתמש בעקרון הבסיסי של מעגלי תהודה צמודים בדיוק כמו רמקול הבאס רפלקס, אבל עושה זאת בתהליך שונה. גם ברמקול הבאס רפלקס וגם ב- Transmission Line מכניסים את התיבה לתהודה עם תהודת הרמקול כל זאת כדי למשוך ולאפשר הפקת באס בתדרים נמוכים יותר.

זה המקום להרחיב בהסבר של החלק שמשותף לשני סוגי הטכנולוגיות – ה Bass Reflex וה Transmission Line.
לכל רמקול יש תדר תהודה משלו שבו הוא עובד בנצילות מקסימאלית. את הרמקול מכניסים לתיבה שמתוכננת גם היא לתהודה בדיוק באותו תדר של הרמקול. לכאורה מצב בעייתי, גם הרמקול וגם התיבה, ידגישו את תדר התהודה הנקודתי, והצליל הסופי יהיה צליל מהדהד עם הדגשה לא טבעית ובולטת של צליל מסוים. התופעה שמתרחשת שונה מההגיוני והתוצאה של שילוב התהודות יוצר מצב חדש ואפילו משופר.

אם נתייחס לרמקול כמעגל תהודה ולתיבה כמעגל תהודה, נקבל מודל כמודגם באנימציה הבאה. האנימציה מתארת מודל שבו הרמקול מקבל תחום תדרים בסביבות תדר התהודה שלו ושל התיבה ומראה את העצמה שיוצאת מהשילוב שלהם. כשיוצרים צימוד הדדי בין הרמקול לתיבה עוצמת היציאה גדלה. ככל שהצימוד יותר חזק עוצמת היציאה עולה עד לנקודה שבה מתרחשת תופעה שבה מעגל תהודה אחד מתחיל להשפיע על השני (מה שמוגדר במעגלים צמודים צימוד הדדי גדול מ -1) ופתאום העצמה בתדר התהודה מתחילה לרדת אבל מצד שני העוצמה משני צידי תדר התהודה עולה.

 

את התכונה הפיזיקאלית של הדדיות הצימוד מנצלים במערך הרמקולים, נוצר מצב שבו מקבלים שני תדרי תהודה חדשים שהשמאלי מביניהם הוא בתדר יותר נמוך מתדר התהודה הרגיל כלומר יותר לכיוון הבאס. למעשה "משכנו" את תדר התהודה לכיוון תדר נמוך יותר והתוצאה המתקבלת היא תיבה שמצליחה להפיק תדר באס יותר נמוך מתדר התהודה של כל יחידה בנפרד. את הצימוד אפשר לשנות בפועל ע"י שינוי היחס בין גודל התיבה וה Port. מתכנן הרמקול מחליט כמה צימוד להשאיר בין הרמקול לתיבה (בדוגמת האנימציה – באיזו נקודה לעצור את המרחק בין מעגלי התהודה), ובכך מחליט מה הוא הגודל של תדרי התהודה החדשים ובכמה הם רחוקים אחד מהשני.

אמנם זאת דרך טובה למתוח את הבאס של הרמקול, אבל כמו שכבר נאמר בחלק ב´ של סידרת מאמרים זו, יש צורך לעשות זאת בחוכמה. אם התכנון לא נכון נצליח להפיק תדר יותר נמוך אבל עם "חור" של צליל בין התהודות.

אפשר לסכם שיש צורך לבנות את התיבה כך שתהדהד בתדר הרצוי למתכנן. המשפט האחרון נכון גם עבור תיבה במבנה של Bass Reflex וגם בתיבה במבנה של Transmission Line בהבדל דק – המימוש ליצירת התהודה בכל אחד מהם, שונה. בבאס רפלקס תדר התהודה נקבע ע"י נפח האוויר בתיבה ולחץ האוויר ב Port. גודל התיבה ומבנה ה- Port הם שקובעים את תדר התהודה של התיבה. להבדיל, תיבה שמתוכננת לעבוד כ- Transmission Line, קביעת תדר התהודה נעשית בעזרת הולכת האוויר במסלול ארוך ושמירה על לחץ קבוע עד שחרורו מהתיבה בעזרת פתח ייעודי שנמצא בדרך כלל בתחתית התיבה. הלחץ שיוצר הרמקול בחלקו האחורי מזיז את מולקולות האוויר ואלה "מטיילות" במסלול ארוך עד לשחרורם מחוץ לתיבה בפתח מתאים. במקרה הזה, מה שקובע את תדר התהודה הוא לא נפח התיבה כי אם אורך המסלול שהצליל עובר עד שהוא יוצא מהתיבה.

זה נכון שחיצונית נראה שהרמקול מורכב כאילו בתיבה, אבל טכנית, הרמקול נמצא במין צינור. ליתר דיוק הוא מורכב בצידו האחד של הצינור וצידו השני של הצינור נמצא באוויר החופשי. כשהרמקול נמצא במבנה של תיבה, הצינור כאילו מקופל לכמה חלקים כדי להקטין את גובה התיבה.

תדר התהודה תלוי באורך הצינור (אורך המסלול שהשמע בתיבה עובר) ומחושב כגל תמסורת פתוח בקצה. כמו בחישוביי קו העברה בתדר גבוה כך גם הוא מחושב לרבע אורך גל השמע ומכאן גם השם שניתן לו – Transmission Line.

תדר התהודה שווה למהירות הקול באוויר מחולק לאורך הצינור ומחולק שוב ל – 4.
אם מהירות הקול שווה ל 330 מטר בשנייה אז הנוסחה תראה כך:
F = 82.5/L
כאשר:
F = תדר התהודה הרצוי
L = אורך הצינור/מסלול במטרים

אם נחשב מה אורך המסלול שאות השמע בתיבה צריך לטייל כדי להכניס את כל המערך לתהודה של 50 תנודות בשנייה, נקבל מסלול באורך של כ- 1.7 מטר. זהו מרחק לא מבוטל שלא יכול להתקיים בתיבות קטנות ולכן שיטת ה- Transmission Line מנוצלת בעיקר בתיבות צרות וארוכות.

אם נסכם, הדרך למשוך רמקול שיעבוד בתדרים יותר נמוכים היא לגרום לו להימצא בסביבה עם תהודה קרובה לתדר התהודה שלו. בשיטת ה-Bass Reflex נפח התיבה וה- Port קובעים את תדר התהודה. ב- Transmission Line תדר התהודה נקבע ע"י אורך מסלול האות בחלקו האחורי של הרמקול. בגלל שיטת מנגנון התהודה שלו, רמקול מסוג Transmission Line נחשב כמצטיין בבאס הדוק ומבוקר שמסוגל להפיק תדרים יותר נמוכים מתיבה שבנויה בשיטת ה- Bass Reflex.

רמקול Ribbon

רמקול Ribbon

 

רמקול הריבון דומה במבנהו לרמקול האלקטרוסטאטי אבל יותר קרוב טכנולוגית לרמקול הרגיל. משטח הדיאפרגמה ברמקול ריבון יותר קטן ממשטח הדיאפראגמה ברמקול אלקטרוסטאטי ולכן תנועת הרמקול מוגבלת לפעולה של מעל 200 תנודות לשנייה. בדרך כלל מבנה הרמקול קטן והוא משמש כ- Tweeter מעולה עם נצילות גבוהה ותחום תדר רחב ושטוח. עקרון הפעולה של רמקול הריבון מבוסס בדומה לעקרון הפעולה של רמקול רגיל והיא התנועה בשדה מגנטי, רצועה של פס מתכתי (Ribbon), בדרך כלל אלומיניום דק, מורכבת מתוחה וצפה בין מגנטים ומשמשת כדיאפרגמה. שני מגנטים בקוטביות הפוכה יוצרים חלל של שדה מגנטי. בתוך חלל זה מותחים פס מתכת דק (לפעמים ישר ולפעמים גלי) בעובי של כמה מיקרונים.

 

כלל יד ימין. אחד מחוקי הפיזיקה במגנטיות הוא כלל יד ימין שמגדיר את הקשר בין כיוון שדה מגנטי, זרם חשמלי ותנועה ועוזר להזכיר לאנשי האלקטרוניקה את הקשר בין כיוון השדות המגנטים וכיוון התנועה. הכלל אומר שכשמזרימים זרם במוליך שנמצא בשדה מגנטי, נוצר כוח מכני שגורם למוליך לזוז. כיוון התזוזה תלוי בכיוון הזרם במוליך ובכיוון השדה המגנטי שבו הוא נמצא.

המתח שמגיע מהמגבר עובר מתאם התנגדויות, מ 8 אוהם להתנגדות פס המתכת. הזרם מהמתאם (שבנוי בדרך כלל משנאי) זורם דרך הפס המתכתי. מכיוון שהפס המתכתי נמצא בשדה מגנטי נוצרת תנועה מכאנית, והפס  נע וגורם לתנועת אוויר שמתורגם לצליל.

מכיוון שהדיאפרגמה של רמקול הריבון בנויה מחומר דק וללא משקל (יחסית לממבראנה ברמקולים אחרים), הצלילים שיוצאים מרמקול זה מדויקים מאד וללא עיוותים. לא במקרה רמקול ריבון מוגדר בפי רבים כאחד מהרמקולים הטובים ביותר לעבודה בתדר גבוה, אולי הטוב ביותר.

כשרוצים להגדיל את משטח החלק המקרין ברמקול כדי לאפשר עבודה בתדרים יותר נמוכים, בונים מערך של מגנטים במבנה משוכפל של שורות מגנטים כשביניהם עוברים פסי מתכת שמחוברים חשמלית יחדיו. מערך כזה מוגדר כרמקול משטחי – Planar

להבדיל מרמקול אלקטרוסטאטי, רמקול הריבון משתמש רק באנרגיה של המגבר ולא נזקק לחיבור חשמל נפרד. רמקול הריבון סגור בחלקו האחורי ולכן הצליל מוקרן רק מחלקו הקדמי מה שמשנה את פיזור הצליל ומקטין את בעיית ההחזרות.

רמקול פלאזמה

רמקול פלאזמה

 

רמקול פלאזמה פועל בעיקר בתדרים הגבוהים מ 1000 תנודות בשנייה ולכן מתאים לפעול בעיקר כ- Tweeter. לרמקול הפלאזמה חסידים רבים שטוענים בלהט שזה ה- Tweeter הטוב ביותר שהומצא מהסיבה הבסיסית שהוא פועל ללא תזוזה של חלקים מכאניים. הרמקול מצטיין בצליל ללא עיוותים, ללא תהודה ומגיע בקלות לתדר של יותר מ 100000 תנודות בשנייה.

אם קיימת דרך פיזיקאלית להניע אוויר בעזרת אות חשמלי, מנצלים זאת לבנות רמקול. במקרה של רמקול פלאזמה מנצלים את התכונה ששינוי יינון האוויר גורם לתזוזת פרודות האוויר שמסביבו, ומכאן כבר קצרה הדרך להפקת צליל.

הרעיון הוא לבנות קשת חשמלית (Arc) בעזרת מתח גבוה ולאפנן את המתח בעזרת אות השמע כך שעוצמת הקשת תשתנה לפי הצליל. המתח שיוצר את הקשת החשמלית הוא 20000 וולט ויותר. מתח גבוה זה גורם לפריצה וליוניזציה של האוויר ונוצר גז מיונן. גז מיונן מוגדר במצב זה כפלאזמה ומכאן השם שניתן לרמקול זה.

אות השמע מהמגבר נכנס למעגל מכפל. המעגל גורם לשינוי רמת המתח הגבוה בהתאם לצליל ויוצר שינויים בעוצמת הקשת החשמלית. השינויים בקשת החשמלית מניעים את פרודות האוויר מסביב לקשת וע"י כך יוצרים אות שמע. כדי להגביר את עוצמת השמע מועבר הצליל בדרך כלל דרך מבנה דמוי שופר.

יצירת הפלאזמה יכולה להיות בדרך המתוארת באיור או בעזרת פריצה חשמלית הנוצרת בעקבות מתח גבוה שמחובר לכדור מתכתי שמוקף במתכת נוספת. במקרה זה נוצרות כמה פריצות סביב הכדור במחזה בוהק ומרהיב.

כאמור ב- Tweeter פלאזמה אין חלקים מכאניים נעים ולכן הוא נחשב כמפיק צליל אידיאלי שמסוגל להגיע עד מעבר ל 100000 תנודות בשנייה בצליל נקי יציב וללא עיוותים. אבל רמקול זה לא נטול חסרונות. פרט לחסרונות "קטנים" כמו ריבוי אלקטרוניקה, מחיר גבוה, החובה לחברו לרשת החשמל וכיווניות בגלל תוספת מבנה השופר, יש לו שני חסרונות גדולים בעקבות תהליך היוניזציה:

  1. החיסרון הראשון הוא יצירת רעש בתדר גבוה (RF) שמפריע למכשירי חשמל אחרים. הפתרון מחייב לבנות רמקול מסיבי שמוקף לחלוטין במתכת לצורך סיכוך מושלם.
  2. החיסרון השני קשור בבריאות. בתהליך היוניזציה נוצר גם תהליך קל של פרוק החמצן והפיכתו לאוזון. בטווח הקצר לא בריא לאדם לנשום גז זה וגם לא בריא כללית לעולם בטווח הרחוק. הפיתרון נמצא בעזרת הכלאת מנגנון היוניזציה ויצירת הפלאזמה בתא המכיל אחד מסוגי הגזים האצילים כדוגמת ההליום.

 אז למרות חסרונותיו הלא קטנים, כיצד אפשר לעמוד בפני רמקול שגם מפיק את הצליל בצורה מעניינת, גם נשמע מעולה וגם מאיר את החדר באור סגלגל עדין בזמן שהוא פועל?

 

סיכום

הסיכום הוא שאין סיכום.

נושא הרמקולים הוא נושא רחב שמקשר מנגנונים מכאניים עם מנגנונים חשמליים, אלקטרוניים וכמובן מנגנונים אקוסטיים. נגיעה בכל נושא הוא עולם שלם של תיאוריה ומנגד עולם שלם של פרקטיות, עולם של מתמטיקה מסובכת ואוזן שמביסה כל חישוב. למרות שהיריעה רחבה ואפשר היה לצלול ולדוש בהרבה נושאים נוספים בצורה יותר מעמיקה, נראה שכדאי לעצור קצת.

לא נגענו ברמקולים כמו רמקולי קריסטל, רמקולים לפיזור צליל, רמקולי באס בעלי תיבות עם מבנה מיוחד, רמקולים לנצילות גבוהה, רמקולים עם משוב אקוסטי-חשמלי בתוך התיבה ועוד הרבה הרבה נושאים שכולם מסתתרים תחת המטרייה הענקית המכונה רמקול.

הסיכום הוא שאין סיכום כדי להשאיר פתח למאמרים טכניים נוספים בנושא מורכב זה, מאמרים שיכתבו בעתיד על-ידי או על ידי כל אחד אחר מחברי האתר.

להמשך דיון בנושא המאמר לחץ כאן.

לחלקים קודמים 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´  


7:00
  /  
23.2.2009
  
כתב: מוטי כהן

1