Garso kolonėlių membranų virpesiai

Kaip iš elektros signalo gimsta garsas

Kai įjungiate mėgstamą dainą ar žiūrite filmą, tikriausiai negalvojate apie tai, kas vyksta jūsų garso kolonėlėse. O ten vyksta tikras fizikos stebuklas – elektros impulsai paverčiami oro virpesiais, kuriuos mūsų ausys supranta kaip garsą. Viskas prasideda nuo membranų, kurios juda pirmyn ir atgal tokiu greičiu, kad kartais net sunku patikėti.

Garso kolonėlės veikia pagal gana paprastą, bet genialų principą. Elektros signalas, ateinantis iš stiprintuvo ar telefono, priverčia judėti specialią plėvelę – membraną. Ši membrana stumia oro molekules, o jos jau keliauja link jūsų ausų. Kuo greičiau membrana juda, tuo aukštesnis garsas. Kuo platesni jos judesiai, tuo garsiau girdite. Taip paprasta teorijoje, bet praktikoje čia slepiasi daugybė niuansų.

Membrana – kolonėlės širdis

Pati membrana paprastai būna pagaminta iš specialaus popieriaus, plastiko, metalo ar net kevlaro. Taip, to paties kevlaro, iš kurio gamina neperšaunamas liemenes. Kiekviena medžiaga turi savo charakterį. Popierinės suteikia šiltą, natūralų skambesį, metalinės – ryškesnį ir detalesnį, o kevlarinės pasižymi nepaprastu standumu ir greičiu.

Membrana pritvirtinta prie rėmo per specialią lanksčią dalį, vadinamą suspensija arba pakabinimu. Ši dalis leidžia membranai judėti pirmyn ir atgal, bet kartu ją laiko vietoje ir neleidžia iškristi ar judėti šonais. Galite įsivaizduoti tai kaip batutą – vidurinė dalis gali šokinėti aukštyn žemyn, bet kraštai lieka tvirtai pritvirtinti.

Už membranos yra pritvirtinta ritė – spiralė iš plono vario vielos, apvyniota daug kartų. Ši ritė yra magnetiniame lauke, kurį sukuria galingas magnetas. Kai pro ritę praeina elektros srovė, ji tampa elektromagnetu ir arba pritraukiama, arba atstumama nuo nuolatinio magneto. Šis traukimas ir stūmimas ir yra tas variklis, kuris juda membraną.

Dažniai ir jų įtaka virpesiams

Žmogaus ausis girdi garsus nuo maždaug 20 Hz iki 20 000 Hz (hercų – virpesių per sekundę). Tai reiškia, kad kolonėlės membrana turi sugebėti virpėti nuo 20 kartų per sekundę iki neįtikėtinų 20 000 kartų per sekundę. Įsivaizduokite, kaip greitai tai vyksta! Kai klausotės žemų basų – tai lėti, galingi virpesiai. Kai girdite aukštus garsus, pavyzdžiui, paukščio čiulbėjimą – membrana vibruoja tokiu greičiu, kad akimis to neįmanoma pastebėti.

Štai kodėl daugelis kolonėlių turi ne vieną, o kelias membranas skirtingo dydžio. Didelė membrana – žemų dažnių garsiakalbis arba žargonu „vūferis” – puikiai tvarko žemus garsus, nes gali judėti plačiai ir galingai. Mažesnė membrana – aukštų dažnių garsiakalbis arba „tviteris” – lengva ir greita, todėl gali virpėti dešimtis tūkstančių kartų per sekundę.

Vidutinių dažnių garsiakalbiai – „midreindžiai” – rūpinasi tuo, kas tarp šių kraštutinumų. Būtent šiame dažnių diapazone skamba žmogaus balsas, dauguma muzikos instrumentų, todėl šie garsiakalbiai labai svarbūs natūraliam skambesiui.

Kodėl dydis ir forma turi reikšmę

Didesnė membrana gali judinti daugiau oro, todėl sukuria garsesnį ir gilesnį garsą. Mažos kolonėlės fiziškai negali pagaminti tokių gilių basų kaip didelės, nes jų membrana per maža – ji tiesiog negali pastumti pakankamai oro molekulių. Tai kaip bandyti sukurti bangas baseine naudojant arbatinį šaukštelį vietoj plaukimo lentos.

Forma taip pat svarbi. Dažniausiai membrana būna kūgio formos, bet pasitaiko ir kupolo formos, plokščių, net keturkampių. Kūgio forma yra populiariausia, nes ji gerai paskirsto įtampą ir leidžia membranai judėti tolygiai. Kupolo formos dažnai naudojamos aukštų dažnių garsiakalbių membranoms – jos gerai skleidžia garsą į šalis, todėl neturite sėdėti tiksliai priešais kolonėlę.

Kai kurios brangios kolonėlės naudoja sudetingesnes formas – pavyzdžiui, membranas su specialiais žiedais ar bangavimais, kurie padeda kontroliuoti, kaip membrana lanksčiasi skirtinguose dažniuose. Tai kaip automobilio pakaba – ji turi būti pakankamai minkšta, kad absorbuotų smūgius, bet pakankamai kieta, kad išlaikytų kontrolę.

Kas nutinka, kai membrana juda per greitai

Viena didžiausių problemų projektuojant kolonėles – distorsija. Tai nutinka, kai membrana nebespėja tiksliai sekti elektros signalo arba kai ji juda per toli ir pasiekia savo mechanines ribas. Įsivaizduokite, kad bandote bėgti taip greitai, kad kojos nebespėja – panašiai ir membrana gali „suklupti”.

Kai grojate per garsiai, membrana gali pasiekti maksimalų savo judėjimo atstumą. Suspensija ir centruojanti voratinklio formos dalis (vadinama „spider”) ją sustabdo, bet tai sukelia iškraipymą – garsas tampa šiurkštus, nenatūralus. Kartais net girdite kažkokį traškėjimą ar dūžimą. Tai signalas, kad reikia sumažinti garsumą, kol nesugedino kolonėlės.

Profesionalios kolonėlės projektuojamos su didelėmis atsargomis – jų membranų judėjimo amplitudė (vadinamas „X-max”) būna didelė, o konstrukcija tokia, kad net ties ribomis distorsija lieka minimali. Pigesnėse kolonėlėse šios atsargos mažesnės, todėl jos greičiau pasiekia ribas ir pradeda iškraipyti garsą.

Kaip aplinka keičia membranos darbą

Įdomus dalykas – kolonėlės skamba skirtingai priklausomai nuo kambario, kuriame jos stovi. Membrana juda ore, o oro savybės keičiasi priklausomai nuo temperatūros, drėgmės, net nuo atmosferinio slėgio. Šaltas oras tankesnis, todėl membranai sunkiau jį stumti. Karštas oras retesnis – lengviau, bet kartu mažiau pasipriešinimo.

Kambario akustika taip pat svarbi. Kai membrana stumia orą, sukuriamos garso bangos, kurios atsimuša nuo sienų, lubų, grindų. Jos grįžta atgal ir sąveikauja su naujomis bangomis, kurias vis dar generuoja membrana. Kartais jos sustiprinta viena kitą, kartais – atšaukia. Todėl tos pačios kolonėlės tuščiame kambaryje su kietomis sienomis skamba visai kitaip nei kambaryje su kilimais, užuolaidomis ir minkštais baldais.

Profesionalūs audio inžinieriai daug laiko praleidžia eksperimentuodami su kolonėlių pozicija kambaryje. Net kelių centimetrų pokytis gali pakeisti žemų dažnių skambėjimą, nes keičiasi tai, kaip garso bangos atsimuša nuo sienų ir grįžta prie kolonėlės. Kai kurios kolonėlės turi net specialius reguliatorius, leidžiančius pritaikyti jų skambėjimą prie kambario akustikos.

Technologijų evoliucija ir nauji sprendimai

Pirmosios elektrinės kolonėlės atsirado dar XX amžiaus pradžioje, ir nuo tada principas iš esmės nepasikeitė – vis dar naudojame membraną, ritę ir magnetą. Bet medžiagos ir projektavimo metodai pažengė neįtikėtinai toli. Šiuolaikinės membranos gaminamos iš kompozitinių medžiagų, kurios yra ir lengvos, ir labai standžios – tai leidžia joms judėti greitai ir tiksliai.

Kai kurie gamintojai eksperimentuoja su plazminio tipo garsiakalbiais, kurie apskritai neturi membranų – jie generuoja garsą jonizuodami orą. Kiti kuria plokščius garsiakalbius, kuriuose visa plokštė vibruoja kaip membrana. Yra net kolonėlės, kurios naudoja ultragarso principą – kelios mažos membranėlės generuoja ultragarsinį signalą, kuris ore moduliuojamas ir paverčiamas girdimu garsu.

Bet tradicinė membrana vis dar dominuoja, nes ji paprasta, patikima ir gali pasiekti puikią garso kokybę. Modernios skaitmeninės technologijos leidžia tiksliai valdyti signalą, kuris eina į kolonėles, kompensuoti jų trūkumus programiškai, net pritaikyti skambėjimą realiu laiku analizuojant kambario akustiką.

Kaip išgauti geriausią skambesį iš savo kolonėlių

Jei norite, kad jūsų kolonėlės skambėtų kuo geriau, pirmiausia jas teisingai pastatykite. Aukštų dažnių garsiakalbiai turėtų būti maždaug ausų aukštyje, kai sėdite klausydamiesi muzikos. Kolonėlės neturėtų stovėti per arti sienos – palikite bent 30-50 centimetrų, ypač jei jos turi basų portą gale. Tarp kolonėlių ir klausytojo turėtų susidaryti trikampis – tai vadinama „stereo trikampiu”.

Nemėginkite kompensuoti mažų kolonėlių trūkumų tiesiog didindami garsumą. Geriau investuokite į subvūferį, kuris pasirūpins žemais dažniais, o mažos kolonėlės galės susikoncentruoti į tai, ką jos daro geriausiai – vidutinių ir aukštų dažnių atkūrimą. Subvūferio pozicija kambaryje labai svarbi – dažnai geriausia vieta randama eksperimentuojant.

Jei jūsų kolonėlės turi reguliatorius, nepabijokite su jais pasižaisti. Kai kurios turi jungiklius, leidžiančius sumažinti aukštų dažnių lygį, jei kambaryje per daug atspindžių, arba pakelti žemų dažnių lygį, jei kolonėlės stovi toli nuo sienų. Pasiklausykite įvairių įrašų, kuriuos gerai pažįstate, ir reguliuokite, kol skambėjimas jums patiks.

Kai visa tai susideda į vieną paveikslą

Garso kolonėlių membranų virpesiai – tai fascinuojantis fizikos, inžinerijos ir net meno derinys. Kiekviena membrana yra kruopščiai suprojektuota, kad ji tiksliai sekti elektros signalą ir paversti jį oro virpesiais, kuriuos mūsų ausys ir smegenys interpretuoja kaip muziką, kalbą ar bet kokį kitą garsą. Nuo medžiagų pasirinkimo iki formos, nuo dydžio iki pakabinimo sistemos – kiekviena detalė turi įtakos galutiniam rezultatui.

Suprasdami, kaip veikia šis procesas, galite geriau įvertinti, kodėl skirtingos kolonėlės skamba skirtingai, kodėl dydis turi reikšmę, ir kaip išgauti maksimumą iš savo garso sistemos. Nebijokite eksperimentuoti su kolonėlių pozicija, nustatymais ir net kambario akustika – kartais net nedideli pakeitimai gali žymiai pagerinti skambėjimą. Ir kai kitą kartą įjungsite mėgstamą dainą, galėsite įsivaizduoti tas mažytes membranas, šokančias tūkstančius kartų per sekundę, kad sukurtų jums tą stebuklingą garso patirtį.