Az áram haladási irányának változása bonyodalmakat okoz. Ebben a cikkben egy kicsit mélyebbre merülünk a váltakozó áramú jelekkel kapcsolatban, és elmagyarázzuk, hogy a hangszóró miért nem egy fix értékű ellenállás. Az alaptézis: egy hangszóró impedanciája a rákapcsolt frekvenciák függvényében változik. Márpedig a zene milliónyi hangfrekvencia egymás utáni jelenléte és összessége.
Ohm törvénye – AC és DC áram
Az Ohm törvénye egyenáramú és váltóáramú áramkörökben is állandó. Ha 1 Amper áram folyik át egy 1 Ohm értékű ellenálláson, akkor ezen az ellenálláson 1 Volt elektromos potenciál keletkezik. Ha az ellenállás értékét 2 Ohm-ra növeljük, és 1 Volt feszültséget kapcsolunk rá, akkor 0,5 Amper áram folyik rajta. A háromszög ábra mutatja a feszültség, az áram vagy az ellenállás kiszámításának három módját, mivel van két másik változónk. Egy váltakozó áramú áramkörben tudjuk, hogy az áram áramlása oda-vissza irányú. Az otthoni audio-rendszerekben a feszültség szinuszos hullámforma alakú. A feszültség vagy áram által végzett munka a jel átlagos szintje. Szinuszos hullám esetén az átlagos szint – amelyet RMS-nek neveznek – a föld-ponthoz viszonyított csúcsfeszültség 0,707-szerese.
Amikor az áram áthalad egy vezetőn, a vezető körül mágneses mezőt hoz létre. Ezt a jelenséget Oersted törvényeként ismerjük, Hans Christian Oersted dán fizikusról nevezték el, aki 1820 áprilisában fedezte fel ezt a kapcsolatot. Egy egyenáramú áramkörben, ha áram folyik egy huzal tekercsben, a létrehozott mágneses mező ellenzi az áram áramlás változásait. Ha eltávolítjuk a feszültségforrást – még ha csak néhány ezred másodpercig is – az áram tovább folyik. A hangszórókhoz vezetett áram másodpercenként akár húsz-ezerszer is változtathatja irányát. Minden hangszóró lengőtekerccsel működik, amely mágneses mezőt hoz létre, hatás-ellenhatás mozgatja a membránt. Ugyanez a mágneses tér ellen tart az áram áramlási irány-változásainak. Mint ilyen, nagyobb ellenállásunk van az AC-áramlással szemben, mint azonos mennyiségű egyenárammal. Váltóáramú áramkörök esetén meg kell mérnünk az impedanciát. Az Oxford Dictionary definíciója szerint az impedancia …„egy elektromos áramkör vagy alkatrész effektív ellenállása a váltakozó árammal szemben, amely az Ohm-os ellenállás és reaktancia együttes hatásaiból adódik”…. A reaktancia az induktivitás vagy a kapacitás által okozott váltakozó áramú áramlás ellentéte. A hangszóróban a lengőtekercs a mély-, a közép- és a magas frekvenciákon induktorként működik.
Ha tudni szeretnénk, hogy a hangszóró hogyan ellenzi a váltóáram áramlását, váltakozó jelet kell adni neki, és meg kell mérni az ellenállást bármely frekvencián. A mérőeszköznek mérni kell az egyenáramú ellenállást, valamint az induktív és reaktív kapacitást bármilyen frekvencián 20 000 Hz-ig. Az eredmény az impedancia diagramja (az árammal ellentétes váltóáram), valamint egy fázisdiagram, amely megmondja, hogy a terhelés kapacitív vagy induktív. Ha alaposan megnézzük az impedancia mérést, akkor láthatjuk, hogy 42 Hz frekvencián az impedancia körülbelül 30 Ohm. Ez a hangszóró rezonanciafrekvenciája (Fs), és azt a pontot jelenti, ahol a legkisebb áramerősség adja a legnagyobb kimenetet. Magasabb frekvenciákon a lengőtekercs induktivitása a hangszóróban folyó AC-áram elsődleges ellentéte. A mérőműszer ennek a hangszórónak az induktivitását 0,827 milliHenry értékkel mérte. Látható, hogy az impedancia exponenciálisan emelkedni kezd körülbelül 250 Hz felett. Mire eléri 20 kHz frekvenciát, az impedancia körülbelül 54 Ohm. Egy mélysugárzó vezetése egyfajta kihívás az erősítő számára. Ez a feladat jelentős mennyiségű energiát igényel. A terhelés erősen reaktív is lehet, ami azt jelenti, hogy az áram és a feszültség nem lehet fázisban egymással.
Egy több utas hangsugárzó hangszóróinak meghajtása teljesen más forgatókönyv. A kimeneti szint legapróbb változásai is könnyen beláthatóak. Mivel a hangsugárzók a frekvencia függvényében jelentősen eltérő impedanciákat tudnak felmutatni, az erősítő által szolgáltatott feszültség és áramerősség is változik. A terhelési impedancia ezen eltérései kismértékű változásokat eredményezhetnek a kimeneti szinten, mivel az erősítő áramköre kölcsönhatásba lép a terheléssel, és feszültségosztót hoz létre. A jobb erősítők kisebb változást mutatnak a kimeneti szinten a terhelési impedancia változásaihoz képest. Azokban a rendszerekben, ahol nincs kiegyenlítés, különösen az otthoni audio-rendszerekben, ezek az eltérések megváltoztathatják azt, ahogyan a hallgató érzékeli a zenét.
A fenti grafikon az erősítő effektív frekvenciamenetét mutatja 4 Ohm (piros) és 2 Ohm (ibolya) ellenállás mellett, valamint a reaktív tesztterhelést (fekete). Amint látni, az erősítő kimenete attól függően változik, hogy mennyire változik az ellenállás. A jelenség gyakoribb a „D”-osztályú erősítőknél, mint az „A/B”-osztályú kiviteleknél.
Miért fontos az impedancia? Az áram-változásokkal szembeni ellenállás azt jelenti, hogy az áramcsúcsok elmaradnak az induktív terhelések feszültségcsúcsaitól. Ha hangszóróhoz csatlakoztatott erősítő teljesítményét szeretnénk mérni, egyszerre kell mérni az áramot és a feszültséget. A megfelelő értékek kiválasztásához ismerni kell a keresztezési frekvencia körüli pontos impedanciát. Noha manapság nagyon kevesen hoznak létre passzív crossovereket, sokan azt sugallják, hogy ezek az áramkörök felcserélhetők a különböző márkájú, gyártmányú és modellű hangszórók között. Semmi sem állhat távolabb az igazságtól. Nem feltételezhető, hogy az „A”-márkájú hangszórókhoz tervezett keresztváltó megfelelően fog működni, vagy egy „B”-márkájú hangsugárzóval megfelelően fog szólni.
