Dr. Albert Neville Thiele (1921-2012) Több évtizedes karrierje a rádió-, műsor-, audio- és elektronikai ipar körül forgott. Az 1960-as években felelős volt a Federal Engineering Laboratory U.S. munkájáért, valamint a hang- és képsugárzási berendezések és rendszerek tervezésének elemzéséért. (A laboratórium ma is elősegíti az Egyesült Államok tudósainak, mérnökeinek innovációs munkáját és ipari versenyképességét a méréstudomány, a szabványok és a mérnöki rendszerek technológiájának fejlesztésével.) Később az Australian Broadcasting Commission tervezési és fejlesztési vezető mérnöke volt. Neville szerette idézni Albert Einstein-t – amikor azt mondta neki, hogy a relativitáselméletét nehéz volt megérteni, – …„nem nehéz megérteni, csak nehéz elhinni”…
1961-ben kiadott egy mérföldkőnek számító tanulmányt, amely először javasolta a hangszórók jellemzőinek egyetlen paraméterkészleten alapuló, kényelmes és reprodukálható módon történő kiszámítását. Fő gondolatként ez állt: …„az alacsony frekvenciás tartományban egy hangszóró jellemzői leírhatók három paraméterrel, mint a rezonanciafrekvencia, a hangsugárzó akusztikus rugalmasságával összefüggő levegőtérfogat, a hangszóró, valamint az elektromos ellenállás és a mozgási ellenállás aránya a rezonanciafrekvencián. Az elektroakusztikus hatásfokot ugyanezek a paraméterek határozzák meg. Arra kérem a hangszóró gyártókat, hogy termékük kiemelt fontosságú részeként tegyék közzé ezeket a paramétereket.”… A számok mögötti tények, mint a hangszórógyártók, hangsugárzó építők és felhasználók nagy közösségét érintő kinyilatkoztatásként is megállja a helyét. Neville Thiele professzor emeritus volt, utolsó szakmai pozícióját a Harman-Becker audio-osztályának főmérnökeként töltötte be.
Dr. Richard Small amerikai tudós, aki az elektroakusztika területén dolgozott. 1935-ben született San Diegoban, Kaliforniában. Apja amatőr zongorista volt, aki hallás után játszott, és nagyon szerette a zenei felvételek sokszorosítását. Richard erősen érdeklődött az elektronika iránt. Erősítőket épített, apja pedig segített szekrényeket építeni a különféle hangszórókhoz, amelyeket otthon hallgattak. Richard Small 1956-ban Bachelor of Science fokozatot szerzett a California Institute of Technology, majd 1958-ban Master of Science fokozatot elektromérnöki szakon a Massachusetts Institute of Technology egyetemeken. Dolgozott a Bell & Howell kutatóközpontjában és a KEF Electronics Limited kutatási vezetőjeként. 1964-ben Ausztráliába költözött, a University of Technology Sydney Villamosmérnöki karán posztgraduális kutató hallgató lett. Az elektronikai laboratórium asszisztenseként érdeklődött a hangszóró mérési elemzések iránt. Itt találkozott Nevil Thiele-lel, aki az egyetemen tartott előadást. 1972-ben Richard Small elnyerte a Tudományok Doktori fokozatát és több évig ezen az egyetemen tanított.
Mindketten az Audio Engineering Society akusztikai mérnökök nemzetközi társaságának vezetőségébe tartoznak. Kollégájuk, Bob Frater, az egyetem professzora rádiócsillagászati antenna elmélettel foglalkozott, de mással is. Egyebek között egy magas-hangszórót helyezett két mély-hangszóró közé, jóval azelőtt, hogy bárki is hallott volna arról a fickóról, akinek a neve most ehhez az elrendezéshez kapcsolódik.
A Thiele-Small paraméterek olyan elektroakusztikus műszaki adatok összessége, amelyek meghatározzák a dinamikus hangszórók viselkedését az alacsony frekvenciatartományban. Ezek a paraméterek a hangszórógyártó specifikációiban referenciaként szerepelnek egy hangsugárzó gyártó számára a legfontosabbak. A legtöbb paramétert csak a hangszóró rezonancia-frekvenciáján határozzák meg, de általában a teljes frekvenciatartományban alkalmazhatók, amelyben a hangszóró dugattyús üzemmódban működik. Más szóval, ezek a paraméterek lehetővé teszik olyan hangsugárzó kabinetek tervezését, amelyeket általában hallgatunk.
Az egy adott hangdobozhoz való megfelelő hangszórók kiválasztása közvetlenül függ attól, hogy tisztában vagyunk-e a hangszóró gyártó által biztosított teljesítmény adatokkal. Thiele és Small jelentős erőfeszítéseket tettek annak specifikálására, hogy a következő paraméterek hogyan határozzák meg a hangszóró és egy adott hangdoboz közötti kapcsolatot. Munkájuk felbecsülhetetlen értékű, mert a kiválasztás során sokkal többet árulnak el az akusztikus jelátalakító valódi teljesítményéről, mint a méret, a maximális teljesítmény vagy az átlagos érzékenység alapvető mércéi.
FS. Ez a paraméter a hangszóró „free-air” rezonancia frekvenciája, ez az a pont, ahol a hangszóró mozgó alkatrészeinek súlya egyensúlyba kerül a hangsugárzó felfüggesztésének erejével mozgás közben. Hangszóróknál a mozgó alkatrészek tömege és a felfüggesztés merevsége (a membrán kerület anyaga és a pille) kulcsfontosságú elemek, amelyek befolyásolják a rezonancia frekvenciát. Általános szabály, hogy az alacsonyabb Fs érték olyan mélysugárzót jelez, amely jobb az alacsony frekvenciájú hang keltésre, mint egy magasabb Fs-vel rendelkező. Ez azonban nem mindig van így. Ezt az információt annak érdekében fontos ismerni, hogy megelőzzük a hangdoboz „csengését”.
RE. Ez a hangszóró lengőtekercsének egyenáramú ellenállása, amelyet Ohm mérővel mérnek. A mérés eredménye szinte mindig kisebb, mint a hangszóró névleges impedanciája. Ez nem ad okot az aggodalomra, az erősítők nem terhelődnek túl, tekintettel arra, hogy a hangszóró induktivitása a frekvencia növekedésével nő, nem valószínű, hogy az erősítő a DC ellenállást látja terhelésként.
LE. Ez a lengőtekercs induktivitása millihenrie-ben (mH) mérve. Az induktivitás mérése 1000 Hz-en ipari szabvány. Ahogy a frekvencia emelkedik, az impedancia Re felfelé emelkedik. Ez azért van, mert a tekercs induktorként működik. Következésképpen a hangszóró impedanciája nem rögzített ellenállás, hanem egy görbeként ábrázolható, amely a bemeneti frekvencia függvényében változik. A maximális impedancia (Zmax) Fs-nél jelentkezik.
Q paraméterek. A Qms, Qes és Qts a hangszóró felfüggesztés vezérléséhez kapcsolódó mérései, amikor az eléri a rezonanciafrekvenciát (Fs). Mivel a felfüggesztésnek lengéscsillapítóként is kell működnie, meg kell akadályoznia minden olyan oldalirányú mozgást, amely lehetővé teheti a lengőtekercs és a mágneses rendszer érintkezését (ez tönkreteheti a hangszórót!). A Qms a hangsugárzó mechanikus felfüggesztési rendszeréből származó vezérlés mértéke. Tekintsünk rugóként ezekre az alkatrészekre!
A Qes, a hangszóró elektromos rendszeréből (a tekercs és a mágnes) érkező vezérlés mérése. A mechanikus felfüggesztésből és elektromos rendszerből származó ellentétes erők elnyelik az impulzusokat. A Qts, ezt „Total Q”-nak nevezik – egy egyenletből származik – ahol a Qes-t megszorozzuk Qms-el, és az eredményt elosztjuk ennek összegével. Általános iránymutatásként: a 0,4 vagy az alatti Qts azt jelzi, hogy a hangszóró jól illeszkedik a hangdobozhoz. A 0,4 és 0,7 közötti Qts azt jelzi, hogy zárt hangdobozokba alkalmas, a 0,7 vagy nagyobb Qts azt jelzi, hogy alkalmas reflex-nyílással ellátott vagy fal-alakú, hátul teljesen nyitott alkalmazásokhoz. Vannak azonban kivételek!
VAS/CMS. A VAS. az a levegőmennyiség, amelyet a mozgó rendszer rezegtet. A VAS. érték a következőképpen számítható: Vas = ρc2 Cas Itt CAS a felfüggesztés akusztikai megfelelősége. A VAS. az egyik legnehezebben mérhető paraméter, mivel a levegő nyomása a páratartalomhoz és a hőmérséklethez képest változik – tehát, a pontosan ellenőrzött laboratóriumi környezet elengedhetetlen.
A Cms a hangszóró mechanikus felfüggesztése által kifejtett erő. A Cms-t méter/newton-ban mérik, ez egyszerűen a merevség mértéke. A merevséget (Cms), a Q-paraméterekkel együtt figyelembe véve olyan szubjektív döntések hozhatók, mint amikor az autógyártók az autókat a kényelem és a versenyzésre való képesség között hangolják. Gondoljunk az audiojelek csúcsaira és völgyeire, mint egy útfelületre, majd gondoljuk át, hogy az ideális hangszóró-felfüggesztés a legrosszabb terepen is képes legyen „versenyautóként áthaladni egy vadászrepülőgép sebességével”! Ez elég nagy kihívás, mert az egyik tudományágra való összpontosítás általában rossz hatással van egy másikra.
VD. Ez a paraméter jelzi azt a levegő-mennyiséget, amelyet a membrán mozgat. Ezt úgy számítjuk ki, hogy az Xmax-ot (a meghajtó hangtekercs túlnyúlása) megszorozzuk Sd-vel (a membrán felülete). Vd cc. Egy mély-hangszóró esetében a legmagasabb Vd érték kívánatos.
BL Ez a hangszóró elektromos egységének ereje Tesla méterben kifejezve. A képlet a grammban megadott tömeg osztva az áramerősséggel (Amper). A magas BL érték egy nagyon erős energiaátalakítót jelez, amely tekintélyesen mozgatja a membránt!
MS Ez a paraméter a membrán-szerelvény összsúlyának és a „meghajtó terhelésének” kombinációja. A membrán-szerelvény tömege, maga a membrán, a lengőcséve és a perem alkatrészek súlyának összege. Egyszerű szóhasználattal, ez a levegő tömege (a Vd-ben számolt mennyiség), amelyet a membránnak meg kell mozgatnia.
EBP. Fs osztva Qes-el. Az EBP-t számos hangdoboz tervezési képletben használják annak meghatározására, hogy egy hangszóró alkalmasabb-e zárt vagy reflex-nyílásos kialakításhoz. A 100-hoz közeli EBP általában azt jelzi, hogy melyik hangszóró a legalkalmasabb a nyitott felépítésű hangdobozokhoz, az 50-hez közelebb eső EBP általában azt jelzi, hogy melyik hangszóró a legalkalmasabb a zárt dobozos kialakításhoz. De, ez csak egy kiindulópont. Sok jól megtervezett hangsugárzó rendszer megszegte ezt az alapszabályt! A Qt-t is figyelembe kell venni!
XMAX/XLIM. (Maximum Linear Excursion) A hangszóró non-lineárissá válik, amikor a lengőtekercs egy része elhagyja a mágneses rést. A felfüggesztések non-linearitást hozhatnak létre azon a ponton, ahol a résben lévő fordulatok száma (lásd BL) csökkenni kezd. Ez az a pont, amikor a torzítás növekedni kezd. (Xmax: a tekercs hossza mínusz a felső lemez vastagsága, osztva 2-vel) A módszer a hangszóró „kifutási határának” valós kifejezését eredményezi. Az Xlim értéket meghaladó hangszóró biztosan meghibásodik. (A felüláteresztő szűrők, korlátozók és a burkolat-modellező szoftverek értékes eszközök a mélysugárzók mechanikai meghibásodásokkal szembeni védelmében.)
SD. A membrán tényleges felülete cm2-ben.
Frekvencia tartomány. Ez az a frekvenciatartomány, amelynek átvitelére a hangszóró hitelesítve van. A gyártók különböző technikákat alkalmaznak a „felhasználható frekvencia tartomány” meghatározására. A legtöbb módszert elfogadhatónak ismerik el az iparban, de különböző eredmények érhetők el. Technikailag sok hangszórót használnak olyan frekvenciák előállítására, ahol elméletileg kevés a hasznuk. A frekvencia-sávszélesség növekedésével a hangszóró sugárzási szöge az átmérőjéhez képest csökken. Egy bizonyos ponton a sugárzási terület keskennyé válik, mint egy zseblámpa fénysugara. Hasznos tudni, hogy a sugárzás terén melyik frekvencia értéktől számíthatunk kompromisszumra.
Teljesítmény kapacitás. Ez a paraméter nagyon fontos. Nyilvánvaló, hogy olyan hangszórót kell választani, amely képes kezelni az erősítő által szolgáltatott teljesítményt. Ugyanezen alapon tönkre tehető egy hangszóró akkor is, ha túl kevés energiát használ. Az ideális helyzet az, ha olyan hangszórót választunk, amely több energiát képes kezelni, mint amennyit tud nyújtani, és biztosít egy kis mozgásteret hő-hiba esetén. Általánosságban elmondható, hogy egy hangszóró teljesítményének első számú tényezője a hőenergia felszabadítási képessége. Ezt számos tervezési lehetőség befolyásolja, de leginkább a lengőtekercs mérete, a mágnes mérete és a hangtekercs-építéshez használt ragasztók. A nagyobb tekercs- és mágnes-méretek nagyobb területet biztosítanak a hőelvezetés számára, míg a hátsó szellőztetés lehetővé teszi a hőenergia távozását a szerkezetből. Ugyanilyen fontos a lengőtekercs hőenergia kezelésére való képessége. Szabadalmaztatott ragasztók és hőálló komponensek használathatók a célra, amelyek maximalizálják a tekercs szélsőséges hőmérsékletek kezelésére való képességét. A teljesítménykezelés meghatározásakor a mechanikai tényezőket is figyelembe kell venni. Egy hangszóró képes 1000 Watt teljesítményt termikus szempontból kezelni, de jóval ez előtt mechanikai probléma miatt meghibásodik, hogy a szintet elérte volna. Mechanikai probléma lehet a tekercs ütése vagy súrlódása, esetleg leválik egy-két menet, a tekercs kijön a résből, a membrán meghajlik. Az ilyen hibák elkerülése érdekében feltétlenül figyelembe kell venni a névleges teljesítmény mellett a javasolt frekvenciatartományt és az Xlim paramétert.
Érzékenység. Az adat a hangszórók egyik leghasznosabb jellemzője. Ez a hangszórótól elvárható hatékonyságot és a hangerőt mutatja a bemeneti teljesítményhez viszonyítva. A hangszórógyártók eltérő szabályokat követnek ezen információk közlésekor – nincs pontos, az iparág által elfogadott szabvány. Ennek eredményeként gyakran előfordul, hogy a hangszórót vásárlók nem tudják összehasonlítani az „almát az almával”, amikor a különböző gyártók termékeinek érzékenységi adatait nézik.
A hangsugárzó gyártás nem egyszerű feladat többek közel 100 éve foglalkoznak vele. Minden paraméter összevetése, minden szabály betartása esetén is a hangsugárzók ezerféleképpen szólnak. Fő a változatosság, hiszen a jelből megvalósított muzsika is sokrétű, stílusok, hangulatok, akusztikus és elektronikus hangszerek, énekhang, effektek és még ki tudja mi fordulhat elő egy felvételen. A hangdoboz gyártás során, a hangszórók kiválasztásakor figyelembe kell venni az összes paramétert. Joggal mondhatjuk, hogy Dr. Neville Thiele audio-világhoz való hozzájárulása nélkül nem biztos, hogy élvezhettük volna a mai színvonalú hangvisszaadást.
Aki a fentieket figyelmen kívül hagyja, az ne építsen hangsugárzót!
Ajánlott interjú: https://audioxpress.com/article/voice-coil-interviews-dr-richard-h-small
