ACTA DÆNDROLOGICA RAUDENSIS

   SVAZEK 1, VYCHÁZÍ  29. 2. 2004

 

Dřevěné reproduktorové systémy

Mgr. Jindřich Matoušek, PF UJEP, Ústí nad Labem

 

Fyzikální princip

Po dlouhodobém experimentování a obsáhlém výzkumu došli roudničtí specialisté z WASA (Wooden Amplifiers Science Agency) k velmi zajímavému technickému řešení. Zjistili totiž, že u některých druhů dřeva, podobně jako u krystalů, lze pozorovat tzv. piezoelektrický jev. Jde zejména o vzácná dřeva jako je např. mahagon, hikor, sekvoj, ... Jev spočívá v tom, že přiložením elektrického napětí na protilehlé konce dřevěného hranolku dojde k malé změně jeho rozměrů (kontrakce ve směru vektoru intenzity elektrického pole - obrázek vpravo). Proces probíhá též opačným směrem: deformací dřevěného hranolku se na jeho protilehlých ploškách indukuje elektrické napětí úměrné velikosti deformace. Proto je možné zkonstruovat snímací i reprodukční zařízení založená na tomto jevu.
Fyzikální princip
Popišme nyní cestu zvukového signálu od zdroje (nástroje) až k uchu posluchače.


Mikrofony, reproduktory

Mikrofony (i reprobedny) jsou v podstatě převodníky kmitání na elektrický signál (a naopak) 1). Proto se pro výrobu mikrofonů i reproduktorových beden používá obdobný typ konstrukce s několika odlišnostmi: mikrofon je zpravidla velmi blízko zdroji. Není tedy třeba masivní konstrukce (bedny musí mít zpravidla dosah několik desítek metrů). Membrány mikrofonů jsou lehčí, což usnadňuje jejich rozkmitání. Existují též speciální studiové mikrofony s odlehčenou balzovou membránou, která má citlivost zvýšenou až o 10 dB (udává se citlivost v dB?) oproti "normálním" mikrofonům. Použití takových mikrofonů v jiném než studiovém prostředí nepřichází v úvahu právě z důvodu příliš vysoké citlivosti - ruchy z okolí by byly snímány a působily by rušivě při poslechu. Prozatím nejvyššího stupně dokonalosti bylo dosaženo u mikrofonů z březové kůry (resp. z její nejsvrchnější vrstvy). Ty jsou ale velmi citlivé na jakékoliv otřesy.
Pozn.: Nedávno přišli dva vědci (Fanda Bednář a Tom Bukwitz) s revoluční myšlenkou: mikrofony byly často rušeny síťovým napětím procházejícím vedením uloženým ve zdech studií. Rozhodli se proto připojit na mikrofon přídavný vysokofrekvenční signál který je modulován snímanými zvukovými vlnami. VF signál se pak snadno odfiltruje a vliv síťového napětí je výrazně potlačen. Podle autorů této konstrukce bude pravděpodobně tento druh napájení pojmenován Fan-Tomové napájení.
Zbývá objasnit přeměnu energie kmitů na elektrickou energii (mikrofony) a převod elektrické energie na kmitání (reprobedny). Jelikož je tato část audiozařízení v obou případech totožná (rozdíl je jen ve směru přenosu) budeme dále postupovat nejčastěji z pohledu konstruktéra reproduktorových beden. Opačný pohled si již čtenář v případě potřeby snadno doplní, vezme-li v úvahu výše zmíněné rozdíly spočívající zejména ve velikosti a hmotnosti obou druhů elementů (tj. mikrofonů a reproduktorových beden).

K přeměně energie jsou používány dřevěné krystaly (hranolky a hranoly z vzácných dřev). Funkčnost je zajištěna na základě piezoelektrického jevu (viz. odstavec "Fyzikální princip"). Membrána je spojena s dřevěným krystalem. Ten je jejím kmitáním deformován a vytváří tak elektrický signál, který je dále zpracován. Podobně je elektrický signál přeměněn na kmitání krystalu (a následně reprobedny).
Velikost deformace krystalu záleží na velikosti napětí a druhu použitého dřeva. Proto se též využívá tzv. biwoodalu - dva různé druhy dřeva jsou spojeny speciálním dřevařským tmelem (typ tmelu používaný ve zvukových aparaturách se nazývá lignoson). Přiložením napětí dojde k deformaci obou hranolků. Vzhledem k tomu, že při stejném napětí se každý z hranolků deformuje jinak, dojde k prohnutí biwoodalu. Tato konstrukce výrazně zjednodušuje přenos signálu na rezonanční desku oproti starší používané metodě, která využívá "obyčejné" deformace hranolku z jednoho druhu dřeva: prohnutí je výraznější, a je tak zlepšen odstup signál/šum. Nevýhodou většinou ovšem je částečná ztráta hutnosti zvuku (rušivá vzájemná interakce obou druhů dřeva). Proto se nové konstrukce využívá zejména při přenosu klasické a jazzové hudby. Starší konstrukce zůstává pro rockovou či metalovou hudbu. Další typy - triwoodal, quadriwoodal,... , polywoodal jsou ve fázi vývoje. V oblasti výzkumu jsou nejrozvinutější hlavně tyto dva směry:
- umožnění použití nové konstrukce i pro rockovou hudbu (hledání vhodné kombinace druhů dřeva k zajištění mohutnosti zvuku)
- zvukové efekty (při použití více druhů dřeva již dochází k zákmitům, což je možné využít k tvorbě různých efektů. Jde zejména o chorus, reverb, dealy/echo, pitch shifter, při využití zpětné vazby s paralelním efektovým singlewoodalem, do kterého je nezávisle přiváděn sinový signál též flanger.



Zesílení, přenos na rezonanční desku

Dřevěné krystaly (tzv. singlewoodaly) ani biwoodaly nedokáží samy o sobě vyvinout dostatečný akustický tlak. Proto je třeba jejich kmity zesílit. Toho lze docílit např. využitím (mechanické) amplitudové rezonance. Singlewoodaly a biwoodaly se přivedením signálu deformují podle vstupního napětí - kmitají. Přiložením k rezonanční desce se na ni vibrace přenášejí. Kmitá-li zdroj (v tomto případě biwoodal, dřevěný (zvukový) krystal, ...) o frekvenci blízké vlastní frekvenci desky (ta záleží na rozměrech desky - je to frekvence kmitů, kterou deska nejlépe přenáší), začne deska kmitat s výrazně větší amplitudou. V extrémních případech může dojít až k rozrušení a destrukci materiálu 1)


Typy rezonančních desek:

- rezonanční pásy - tenké dřevěné pásky - jejich délka určuje vlastní frekvenci pásku a tedy nejlépe přenášenou frekvenci, či přesněji - délka pásku je rovna polovině vlnové délky vlnění - viz. středoškolská fyzika 3). Na obsáhnutí celého spektra je nutná velká sada pásků různých délek. (obr). Tato konstrukce je výhodná pro svou jednoduchost. Nevýhodou je pak značná hmotnost použitého materiálu, což s sebou nese též zvýšení nákladů.


- klínová rezonanční deska typ A. V podstatě se jedná o pásy spojené do jednoho kusu (deska pak má tvar pravoúhlého trojúhelníka). Výhodou je snížení hmotnosti a nákladů, přenos spojitého spektra. Výhodou i nevýhodou je závislost jednotlivých částí:
+ části jsou spojené, a tak vytvářejí větší akustický tlak (což zlepší odstup signál/šum)
- části jsou spojené a při vyšších výkonech dochází k nežádoucím záznějům

- klínová rezonanční deska typ B. Obdélníková deska, která se z jedné strany k protilehlé postupně zužuje. Vlastní frekvence je určena tloušťkou desky (v místech s větší tloušťkou jsou přenášeny vyšší frekvence). Je zde vyřešen problém záznějů. Konstrukce zaručuje, že k nim již nedochází. Nevýhodou je slabší přenos vyšších frekvencí (díky větší tloušťce materiálu má takový element větší hmotnost a tedy menší amplitudu kmitů a tím pádem nižší akustický tlak). Speciálně upravené desky (typu B) jsou používány jako filtr vysokých frekvencí.

- hybridní klínová rezonanční deska. Jde o desku tvaru pravoúhlého trojúhelníka. Jedna z odvěsen je širší a směrem k přeponě se zužuje. Spojuje v sobě výhody obou přecházejících typů.


- houslový systém. V současné době nejkvalitnější možný přenos. Použit je tvar strunných nástrojů používaných v klasické hudbě (housle, violoncello, kontrabas,...). Není pochopitelně třeba hmatník a krk. Místo strun je použit biwoodal. Je spojen s přední deskou reprodukční bedny. Pro kvalitnější ozvučení se používá čtyřpásmová sestava skládající se z reprodukčních beden, které velikostí odpovídají celým houslím, viole, violoncellu a kontrabasu. Někdy se též přidávají čtvrteční housle (tzv. horna) a též speciální bedna s asymetricky umístěným otvorem, ve které je umístěna kontrabasová reprodukční bedna. (tzv. dolna) 4) Ve srovnání s "drátěnými" litoměřickými systémy je zde výrazná výhoda: nemůže dojít ke zničení reprosoustavy přebuzením nebo pušťením "basového výkonu" do výškových beden a podobně - frekvence, které nejsou pro reprodukční bednu určeny tato bedna prostě nepřenáší (není v rezonanci). Odpadá tak nutnost výhybky. Lze ji ovšem použít pro zkvalitnění přenosu a je realizována speciální quadriwoodalovou "kobylkou"

Kabeláž

Pro přenos signálu je potřeba použít kabelů. V dřevěné verzi jde o lýková vedení případně o lískové článkové vedení. Aby bylo možné vést dřevem proud je třeba jej namočit nejlépe ve 4% roztoku kuchyňské soli. U lýka lze využít větší přirozené vzlínavosti a odpadá tak několikadenní příprava jako u lísky (příprava vedení před koncertem se tak zkracuje na 2 až 4 hodiny). Za tuto výhodu ale lýkové vedení pyká kratší trvanlivostí.
V současné době se vědci z WASA snaží sestrojit lýkové vedení uložené v bambusových tubách. Mělo by tak být docíleno delší životnosti a též z velké části vyřešen problém odpařování mediátoru.
S využitím pryskyřičné izolace bambusových tyčí experimentuje vědecký tým na Katedře dendrologie Roudnické univerzity. Další výzkumný tým se věnuje bezdendrátovému přenosu - signál je převeden quadriwoodalovými kodéry na ultrazvuk a za použití bukových směrových antén přenesen k reprosoustavě, kde je ultrazvuk zpětně rozkódován.

Toto byl základní přehled současného stavu dřevěných reprodukčních soustav. Nové odvětví ozvučovací techniky se velmi rychle rozvíjí a doporučujeme sledovat dění v této oblasti.

1)
v souvislosti s tím se často setkáváme s tzv. DDD převodníky. Označuje se tak jejich druh - dřevo, dřevo, dřevo (tj. převod zvukových vln na elektrickou energii pomocí dřeva, vedení dřevěné, převod elektrické energie na zvuk opět pomocí dřeva).

2)
Jde o tentýž jev, kvůli němuž byl zaveden povel "rozpustit krok", aby se pod pochodujícími vojáky nerozkmital a nerozpadl most.

3)
Jest
l = v.T (podobně jako je s = v.t v případě rovnoměrného přímočarého pohybu). Protože je T = 1/f a též l = l /2 vyplývá z uvedených rovnic (po dosazení za T a l ): f = v/2l , kde f je frekvence nejlépe přenášená páskem délky l při rychlosti zvuku v

4)
Pro popovou hudbu se často používá středna - rozměrově leží mezi violou a violoncellem a slouží ke zvýraznění středových frekvencí.

index  >  editorial  >  svazek 1  >  ozvučení