Zalety i wady głośników aktywnych

Głośniki aktywne nigdy nie były popularne w domowym hi-fi. Wyjątkiem od tej reguły są aktywne subwoofery. Są one częściej spotykane w systemach kina domowego niż w systemach stereo. Nawet doświadczeni audiofile mogą nie zdawać sobie sprawy z zalet i wad głośników aktywnych z powodu ich małej popularności. W niniejszym przeglądzie omówione zostaną najważniejsze zagadnienia związane z głośnikami aktywnymi.

Co to jest głośnik aktywny?

Zacznijmy od wyjaśnienia, czym jest głośnik aktywny. W typowym systemie hi-fi wzmacniacz i głośnik pasywny współpracują ze sobą. Sygnał źródłowy przepływa do wzmacniacza, a następnie do zwrotnicy. Zwrotnica to grupa filtrów, która dzieli sygnał na mniejsze pasma, które są odpowiednie dla poszczególnych głośników. Typowa zwrotnica zbudowana jest z elementów pasywnych (rezystory i kondensatory, cewki, rzadziej transformatory). Ze zwrotnicy sygnał trafia bezpośrednio do głośników.

Inaczej wygląda to w głośniku aktywnym. Zwrotnica aktywna oparta jest najczęściej na wzmacniaczach operacyjnych. Jest ona już podzielona na podzakresy odpowiadające poszczególnym głośnikom. Każdy podzakres jest wtedy podłączony do osobnego wzmacniacza, który steruje każdym głośnikiem.

Na rysunku pokazano schemat blokowy głośnika trójdrożnego. Następnie wymienione są główne aspekty głośnika. Każdy aspekt jest oznaczony plusem lub minusem. Plus oznacza przewagę wersji aktywnej, a minus - pasywnej.

Komplikacja systemu. ( - )

Głośniki aktywne mają poważną wadę. Podczas gdy z toru dźwiękowego znika zwrotnica pasywna, zwiększa się liczba wzmacniaczy i dodaje się zwrotnicę aktywną. System staje się bardziej skomplikowany.

Zwrotnica aktywna - Dodatkowy element na ścieżce dźwiękowej. ( - )

Główną wadą techniczną aktywacji jest włączenie dodatkowego elementu, aktywowanej zwrotnicy. Aktywna zwrotnica może również powodować zniekształcenia i szumy, tak jak każdy inny element w torze. Zwrotnica aktywna zbudowana jest zazwyczaj w oparciu o wzmacniacze operacyjne. Możliwe jest stworzenie układu elektronicznego o dużej przejrzystości brzmieniowej, ale jest to kosztowne.

Mikrofonowanie. ( - )

Układy aktywne są często montowane wewnątrz głośników, więc mogą być narażone na większe wibracje. Mikrofony to kolejny negatywny efekt. Jest to kolejny powód, dla którego jakość konstrukcji jest tak ważna, aby zminimalizować negatywne efekty.

Bezpieczeństwo głośników. ( - )

Tak naprawdę chodzi o głośnik wysokotonowy. Na wyjściu wzmacniacza podczas jego włączania/wyłączania mogą pojawiać się przejściowe napięcia stałe. Jest to częsty objaw, który wszyscy znamy z codziennej praktyki, jak np. charakterystyczne stukanie w głośnikach. Ten element może być niebezpieczny dla głośnika wysokotonowego. Kondensator lub kilka kondensatorów w filtrach wyższego rzędu chroni głośnik wysokotonowy przed składową stałą w systemie pasywnym. System aktywny wymaga jednak od konstruktora uwzględnienia bezpieczeństwa głośnika wysokotonowego, poprzez zastosowanie specjalnych zabezpieczeń lub dobór odpowiedniego typu wzmacniacza.

Integracja systemów. ( -/+)

Czasami wysoka integracja systemów może być postrzegana jako wada. Konwencjonalny system oferuje więcej możliwości ingerencji w dźwięk i zmiany poszczególnych elementów. Konwencjonalny system jest również bardziej przystępny cenowo, ponieważ może być rozwijany powoli, rozkładając koszty na mniejsze części.
Integracja może być również postrzegana jako zaleta. Zamiast podejmować wiele decyzji dotyczących zakupu i instalacji poszczególnych elementów, podejmujemy tylko jedną. Jest też mniej kabli i ogólnie mniej komponentów w zestawie.

Cena. ( -/+ )

Powszechnie uważa się, że głośniki aktywne zwiększają koszty systemu. Nie należy jednak generalizować na ten temat. Kombinacji jest wiele. Są dwie strony medalu. Z jednej strony koszt dodatkowych wzmacniaczy, a z drugiej oszczędności na obudowie wzmacniacza. Koszt zwrotnicy może wzrosnąć, jeśli będziemy chcieli ograniczyć efekty pasożytnicze zwrotnic pasywnych. Jest wiele argumentów za i przeciw zwrotnicy, ale trzeba to robić z myślą o projekcie. Trudno jest określić wartość ostatecznych efektów brzmieniowych, które powinny być wynikiem dobrze wykonanej aktywacji.

Użytkownik ma do wyboru głośniki. ( + )

Najważniejszy etap aktywacji, czyli dobór głośników Głośniki aktywne kompensują różnice efektywności poprzez zróżnicowanie wzmocnienia poszczególnych głośników. Wybierając głośniki pasywne można pominąć pewne ograniczenia. Kwestia ta jest ważna w przypadku głośników dwudrożnych, ale może nie być tak istotna w przypadku zestawów trójdrożnych.

Straty mocy. ( + )

Wszystkie głośniki pasywne mają straty mocy w zwrotnicy. Czasami głośniki mogą pracować bez filtra. W takich przypadkach zwrotnica wykorzystuje jedynie filtr górnoprzepustowy do filtrowania głośnika wysokotonowego. Straty mocy w zwrotnicy są pomijalne. W większości przypadków sytuacja jest mniej korzystna i zwrotnica może tracić kilkadziesiąt procent mocy ze wzmacniacza. Kolumny aktywne nie mają tego problemu i nie marnują mocy generowanej ze wzmacniacza.

Sprawdź również: Akcesoria audio Acoustic Revive

Podsumowując moc. ( + )

Warto przyjrzeć się zagadnieniu sumowania mocy w systemach aktywnych. Nie będziemy się zajmować problemem strat mocy w zwrotnicach pasywnych, bo jest to zbyt skomplikowane. Weźmy dwa hipotetyczne przypadki: jeden dla głośników aktywnych i jeden dla głośników pasywnych.

Sygnał wąskopasmowy, który jest odtwarzany w całości przez jeden tor wzmacniacz-głośnik, jest najbardziej szkodliwy dla głośnika aktywnego. Gdyby wzmacniacze głośników aktywnych odpowiadały wzmacniaczom głośników pasywnych, to każdy wzmacniacz w systemie aktywnym powinien mieć taką samą moc jak wzmacniacz głośnika pasywnego.

Druga skrajność to sytuacja, w której sygnały o jednakowej amplitudzie płyną wzdłuż każdej ścieżki aktywnego głośnika trójdrożnego. Załóżmy na przykład, że na każdej ścieżce płynie sygnał o maksymalnej wartości 10V. Znajdźmy moment, w którym te składowe sygnału nakładają się na siebie. Ta część sygnału musiałaby być odtworzona za pomocą pojedynczego wzmacniacza pełnozakresowego. Musielibyśmy wytworzyć napięcie o wartości 30V. Wzmacniacz pełnozakresowy musi mieć 9-krotnie większą moc niż każdy z trzech wzmacniaczy systemu aktywnego. Podobne obliczenia wykonujemy dla systemu dwudrożnego. Wzmacniacz pełnozakresowy ma moc 4 razy większą niż wzmacniacz aktywny.

Nie są to sytuacje typowe dla pracy z sygnałami muzycznymi. Zjawisko sumowania się amplitudy w sygnałach szerokopasmowych jest właśnie wynikiem odtwarzania sygnałów muzycznych. Zjawisko to nie jest istotne w głośniku dwudrożnym o paśmie przenoszenia od 2.000 do 4.000 Hz. Tylko niewielki ułamek mocy trafia do głośnika wysokotonowego. Głośniki trójdrożne mają natomiast podział rzędu kilkuset Hz. Taki podział poprawia zdolność odtwarzania impulsów szczytowych. W praktyce system aktywny będzie mniej podatny na przesterowania.

Wzmacniacze izolacyjne ( + )

Dodatkową korzyścią wynikającą z podziału pasma na poszczególne wzmacniacze jest izolowanie zniekształceń w każdej części układu. Wzmacniacz basowy w głośniku aktywnym nie będzie miał negatywnego wpływu na tony średnie i wysokie, jeśli zostanie zbyt mocno wysterowany. Nie jest to prawdą w przypadku systemów pasywnych. Możliwe jest, że wzmacniacz zostanie wysterowany przez duży sygnał basowy, co może mieć wpływ na wszystkie składowe sygnału szerokopasmowego.

Bardziej swobodna konstrukcja filtra. ( + )

Zwrotnica w systemach aktywnych ma inną konstrukcję i pracuje w innych warunkach niż systemy pasywne. Jest to urządzenie aktywne, które ma skomplikowaną konstrukcję, ale pracuje z sygnałami o niższym poziomie i z odpowiednio dobranym obciążeniem. W zwrotnicach aktywnych łatwiej jest korygować amplitudę i fazę. Dzięki temu konstruktor może dokładniej kontrolować charakterystykę filtrów i ma większą swobodę. Łatwiej jest też modyfikować parametry i dodawać funkcje, jeśli układ zwrotnicy jest cyfrowy.

Sterowanie bezpośrednie ( + )

Aktywacja łączy wzmacniacz z głośnikami w bardziej bezpośredni sposób. Wyjście wzmacniacza jest połączone z głośnikiem za pomocą krótkiego kabla, zamiast za pomocą rezystorów i kondensatorów. Taki układ znacznie zmniejsza siłę elektromotoryczną głośnika. Wzmacniacz może sterować wychyleniem membrany z większą precyzją.

Zniekształcenia zwrotnicy pasywnej. ( + )

O zniekształceniach powodowanych przez aktywną zwrotnicę była już mowa. Nawet jeśli jest ona pasywna, tradycyjna zwrotnica może nadal podlegać zniekształceniom. Efekty nieliniowe, takie jak nasycenie cewki, mogą wystąpić w pasywnych systemach zwrotnic. Wartości rezystancji, pojemności i indukcyjności zwrotnic pasywnych nie są stałe w każdych warunkach. Mają na nie wpływ częstotliwości i wielkości sygnałów przez nie przepływających. Występują również nieuporządkowane sprzężenia elektromagnetyczne pomiędzy elementami zwrotnicy.

Łatwiej jest pracować ze wzmacniaczem. ( + )

Kolumny głośnikowe z natury rzeczy nie są zbyt wygodnym obciążeniem dla wzmacniacza. Niestety, ich impedancje nie przypominają czystej rezystancji. Pasywna zwrotnica może pogorszyć sytuację i jeszcze bardziej utrudnić pracę wzmacniacza. Istnieją układy dopasowujące impedancję, ale ich zastosowanie wiąże się z pewnymi kosztami. Ceną za wyrównanie impedancji są zwiększone straty mocy w zwrotnicach. Poza typem głośnika, możliwe jest rozróżnienie parametrów i zaprojektowanie wzmacniaczy w systemie aktywnym na podstawie ich funkcji.