Egy hangszórófejlesztő konstruktőrnek meg kell küzdeni azokkal a szilárd anyagokkal, amelyeket alkalmazni kíván. Akár ugyanazokkal a mára alapvetőnek titulált matériákkal is, amelyeket még Chester Williams Rice és Edward Washburn Kellogg 1928-ban használt az első kúp alakú membránnal ellátott hangszóró elkészítésekor. Az 1925-től végzett kutatásaik fontosak voltak a közvetlen sugárzó, lengő-tekerccsel működő, kúp alakú membránnal rendelkező, új típusú, tölcsér nélküli hangszóró kifejlesztéséhez. Akkoriban ők készítették az első membránt papírból, az ilyen vagy hasonló papírokat ma is rengeteg gyártó használja. Vannak olyan új anyagok is, amelyek már a csúcstechnológiából származnak, mint például a kevlár, a szénszál, a kerámia, a kovácsolt alumínium, magnézium és a titán. Az elkövetkező években a hangszóró tervezésben új kompozit anyagokra, szintetikus gyémántokra, ultra kicsiny sűrűségű aerogél-szilícium üvegekre és új típusú monokristályos anyagokra is lehet számítani.
A membránnak egyetlen feladata van: a lengőtekercs gyors mozgását akusztikus teljesítménnyé alakítani egy bizonyos, kívánt frekvenciatartományban. Ennek a megtévesztően egyszerű feladatnak az elvégzéséhez a tervezőnek egyensúlyba kell hoznia a mozgás egyenletességét (membrán merevség) a közép- és magas frekvenciákon a rezonancia mentességgel (mozgás ön-csillapítás). Ez az első számú szónikus kompromisszum minden hangszóróban. Vannak más problémák is, amelyeket az üregrezonanciák és a mágneses non-linearitások, amelyeket majd később tárgyalunk. A membrán merevsége azt is jelenti, hogy a lengőtekercs gyorsulási energiáját mennyire pontosan képes átvenni és továbbítani a membrán a teljes felületen. Ezt impulzus-válasznak is szoktuk nevezni. Az audiofilek ezt a hangjelenséget – a mérésorientált mérnökök legnagyobb megdöbbenésére – általában „gyorsnak” írják le. Felmerül egy kérdés …”hogyan lehet gyors egy mélysugárzó, amikor a keresztváltó az impulzus emelkedési idejét a tizedére korlátozza annak, amire bármely magassugárzó képes?”… Szokás szerint mindkét fél másról beszél. Az audiofil akaratlanul is egyenletes membrán mozgást ír le, (és ez közvetve mérhető az intermodulációs torzítás), a működési tartományban lévő egyenletes frekvencia-átvitellel, valamint sima és gyors lecsengéssel. Nos, ez nagyszerű, csak csináljuk a lehető legmerevebbre a membránt, például alumíniumból, ami szép és erős, és szinte bármilyen formára formázható!
Egy másik probléma azonnal jelentkezik, mégpedig a …rezonancia! Ne feledjük, a harangok fémből készülnek! Miért szól egy harang vagy bármilyen más merev fém vagy üveg anyag olyan sokáig? Alaposan meg kell vizsgálnunk, hogyan szabadul fel a mechanikai energia! Nos, nyilvánvaló, hogy a harang vagy a kristálypohár anyagában és konstrukciójában van néhány ellenállási veszteség, egy idő után még vákuumban is abbahagyja a csengő-bongást. A fő rezgésenergia-veszteség a levegőben zajlik, gyakorlatilag a levegő leadja a tárolt mechanikai energiát. De, mivel nagyon nagy eltérés van a levegő és a fém sűrűsége között, a csatolás nagyon nem hatékony, és a harang így sokáig szól, mielőtt az összes energia lemerül. Mindezek egy hangszóró membránnal is megtörténnek! A kúp anyaga sokkal sűrűbb, mint a levegő, ami a legtöbb esetben jellemzően alacsony hatásfokot eredményezi. (89 dB egy méteren, 1 Watt energia bemenettel mindössze 0,5%-os abszolút hatásfoknak felel meg) Ráadásul a levegő olyan gyengén csatolt, hogy nem sokat segít a membrán csillapításában (ellentétben egy nagy felületű elektrosztatikus membránnal). Csak két forrásból kereshetünk segítséget; erősítő csillapítása (amely vezérli a lengő-tekercset) valamint a membrán és a környezet belső csillapító tulajdonságait.
Szeretnénk, ha az erősítő a lengőtekercsen keresztül „leállítaná” a membránt vagy a dómot, nem pedig azt, hogy a kúp önmagában játsszon egy „dallamot”? Sajnos a lengőtekercs a membrán területének csak egy kis részét érinti, a többi résznek szinte nincs is csillapítása, különösen, ha fémből, szénszálból vagy kevlárból készült. A probléma kezelésének egyik módja nagy figyelmet fordít a pille és a környező anyagok csillapítási viselkedésére. Azonban, jelenleg még a legjobb kevlár, szénszálas vagy alumínium membránok is legalább egy magas Q-damping factor csúcsot mutatnak a működési tartomány tetején, ami éles keresztezési frekvenciát igényel a csúcs szabályozásához. Sajnos ez a csúcs általában 3 és 5 kHz közötti tartományba esik, pontosan ott, ahol a fül a legérzékenyebb a rezonáns elszíneződésre. Itt értjük meg először a hangszerhangok hűségének és dinamikájának, a valóság leképezésének problémáját.
A legtöbb audiofil nincs tisztában a kevlár vagy a szénszálas membránok rezonanciájával, tévesen „erősítőérzékenységként”, „szobaérzékenységként” vagy más olyan problémaként azonosítja, amely eltér a valóditól. Mivel kevés audiofil hallgatta meg az általánosan használt hangszórók nyers, módosítatlan hangját, nem tudják felmérni, hogy mennyi „Kevlar hang” vagy „alumínium hang” maradt maradékként a késztermékben. A tervező feladata, hogy ügyesen kezelje a keresztváltót és a kabinet sajátosságait a hangsugárzó fő hangfekvése, az elszíneződés minimalizálása érdekében. A legrafináltabb konstrukciók és a reklámok ellenére a hangszóró jellegzetes hangját soha nem lehet teljesen eltávolítani.
Ha a konstruktőr merev membránnal rendelkező hangszórókkal dolgozik, nehéz döntéseket kell hoznia: ha lejjebb ereszti a keresztezési frekvenciát a minimalizálás érdekében, a magassugárzó intermosulációs torzítása az egekbe szökik, ami reszelős, torz magas frekvenciákat eredményez a közép- és magas szinteken. Ha megemeli a keresztezési frekvenciát, hogy javítsa a magassugárzó hangját, az agresszív hangzást eredményez már mérsékelt hallgatási szinteken is. A hangszórókkal a legjobb kompromisszum egy másod-, harmad- vagy negyedrendű (12-24 dB/okt.) keresztváltó alkalmazása. Az nem kérdés, hogy nagyon nehéz a hangszórókkal dolgozni, mert a hangsugárzókban lévő több hangszóró erős rezonanciával rendelkezik, ezeket elektromosan kell vezérelni és akusztikusan kell „kezelni”.
A merev membránoknak vannak előnyei, de nehéz teljesen csillapítani őket. Sokan, alternatív megoldásként összetett anyagokat használnak – hagyományosan ez műanyaggal adalékolt papír volt, de ezt a legtöbb modern hangszóróban a polipropilén helyettesítheti. A kúp ekkor csillapítja önmagát, és fokozatosan veszít energiából, ahogy a lengőtekercs impulzusai engedik, és kifelé terjednek a membrán felületén. A pók és a kosár kiválasztása ilyenkor sokkal kevésbé kritikus. Az ilyen típusú anyagok frekvencia átvitele általában meglehetősen lapos, és egyszerű 6 dB/oktáv meredekségű keresztváltást is lehetővé tesznek. Azonban sok polipropilén membrán hangja, meglehetősen homályos az alacsony és közepes hallgatási szinteken. Tehát, elég nehéz olyan anyagot készíteni, amely tökéletesen lineáris mechanikai csillapítással rendelkezik.
Az elektronika világában azt várjuk, hogy az ellenállások torzítása csaknem nulla legyen. A mechanikai világban azonban a veszteséges (lágy) anyagoknak általában furcsa hiszterézis módjaik vannak, és a lineáris viselkedés nem tekinthető magától értetődőnek. Ez a forrása az intermodulációs (IM) torzításának a hangszóró frekvencia-tartományának középső sávjában, ahol az elmozdulás kicsi, és az állandó „gyorsulási üzemmód” működik, viszont ez nem az a „mindent vagy semmit” durva törés, amit az akusztikus holografikus képeken látnak az emberek. Gyanítjuk – bizonyíték nélkül – ez a probléma sok lágy dóm magassugárzónál és közép-dómnál is fennáll. Bizonyos dolgokat el lehet rejteni a műszerek (de nem a fül) elől. A probléma leküzdésében a legjobb hangszórók (Scan-Speak, Vifa és Seas) valójában kompozitok, amelyek szilícium-dioxidot, talkumot vagy fémport tartalmaznak, ezek az anyagok jelentősen javítják a merevséget anélkül, hogy elveszítenék a jellegzetes polipropilén simaságot.
Annak ellenére, hogy a közép-/mély hangszóróban lévő porsapka meglehetősen ártalmatlannak tűnik, a porsapka és a mágnes rúd közötti tér kicsi, de magas Q-rezonáns üreget hoz létre. Ennek egyik példája a hetvenes évek elejéről a KEF B110 Bextrene közép/mély hangszóró volt a BBC LS 3/5a hangsugárzójában. Bár valószínűleg ez volt az első elérhető kiváló minőségű közép-hangszórók egyike, számos problémája is volt, mint például az alacsony hatásfok, ezzel együtt a korlátozott teljesítménykezelés, a széles, egy-oktávos csúcs 1,5 kHz-en (ezt a BBC crossover javította), és a nagyon magas Q-faktor csúcs 4,5 kHz körül, amit a BBC harmadrendű keresztváltója csak kissé csillapított. Ezek az erőszakos felső csúcsok, amelyeket a bírálók tévesen a magassugárzónak tulajdonítottak, szintén nagyon irányítottak voltak, ami a porvédő rezonanciájára jellemző.
Az 1970-es évek népszerű magassugárzói, köztük az Audax és a Peerless egy coll méretű modelljei, hasonló rezonanciával rendelkeztek 9 és 16 kHz között, amelyeket részben csillapított egy kis filcpárna, amely szinte kitöltötte a dóm és a mágnes-oszlop közötti teret. A puha membránok sokkal veszteségesebbek voltak, mint a merev B110-es porvédő sapka, a rezonanciák sokkal szélesebbek voltak, és csak 1-2 dB nagyságúak…, de még mindig ott voltak, és ezek voltak a felelősek a figyelmes hallgatók által észlelt fárasztó hangzásért. Nem meglepő, hogy a problémák sokkal súlyosabbak voltak a fenolos, üvegszálas és keménypapír membránoknál, amelyeket a korabeli hangszórókban használtak. Aki emlékszik a „kiválóság” olyan példáira, mint a (British Industry Corporation) BIC Venturi, Cerwin-Vega, JBL L100 típusokra, az talán most is használja a garázsban bulizásra.
A jelenben, a legjobb közép/mély- és magas-hangszórók, most kétféleképpen kerülik el a porvédő/kupola problémát: egy szellőző rúd-szerelvény, amelyet a skandináv Scan-Speak, Vifa és Seas gyártók használnak; vagy a rúd meghosszabbítása, amely a francia Audax és Focal gyártók által használt középmély porvédőt teljesen helyettesíti. A Scan-Speak D’2905 sorozatú magassugárzók a legfigyelemreméltóbb példái a „szellőztetett pólusú” magassugárzóknak, amelyeknél a mágnesszerelvény mögötti apró átviteli megvezetés fokozatosan elnyeli a magassugárzó dóm-membrán hátrafelé irányuló léghullámát, javítva a magassugárzó impulzus-válaszát és teljesítmény-kezelését.
– folytatjuk –
