Reproduktorový sloup pro výkonové ozvučení

V dnešní době se pro ozvučení s velkým výkonem nejčastěji používají systémy tzv. LINE-ARAY v cenách řádově stovek tisíc korun. Využívá se zde uspořádání reproduktorů nad sebou, což je vlastně princip reproduktorového sloupu. Naším nápadem bylo postavit kompaktní reprosloup pro ozvučení resp. přizvučení akusticky hrající kapely - levný a přitom dostatečně výkonný např. pro zahradní párty.

Co je to vlastně reproduktorový sloup? Reprosloup je směrová reprosoustava s uspořádáním reproduktorů (zářičů) v ose nad sebou. Sečtením vyzářených signálů s různými posuvy fáze je docílena plochá vyzařovací charakteristika - jakási "placka". Jedná se vlastně o přímkový nebo-li liniový zářič. Není to samozřejmě zcela ideální: vyzařovací úhly jsou kmitočtově závislé a jsou vytvářeny parazitní laloky v jiných úhlech, ale hlavní "placka" je podstatou, o kterou jde.

Konstrukce reprosloupu
Náš reprosloup je tvořen devíti středobasovými pětipalcovými reproduktory  BEYMA 5MP60/N každý s příkonem 50W. Devět reproduktorů bylo zvoleno proto, aby směrový účinek byl dostatečný a při sérioparalelním zapojení po trojicích byla stále impedance 8Ω.
Jako výškový zářič byl použit reproduktor  BEYMA CP21-F. Neumístili jsme jej uprostřed sloupu, ale na jeho okraji. Prototyp reprosloupu má osazena hnízda pro stojan na obou koncích, takže výškový reproduktor mohl být zkoušen v poloze nad a pod sloupem.
Pro začátek byla použita reproduktorová výhybka  DEXON 2WP 5.0-400.
Materiál na tělo reprosloupu jsme zvolili překližku tl. 8mm, přední deska s otvory pro reproduktory je tl. 12mm. Vnitřní prostor je rozdělen pevnými přepážkami tak aby každý z reproduktorů byl ve své vlastní uzavřené ozvučnici. Na každý reproduktor tak připadl objem 5,9l. Toto řešení přináší několik výhod: především zvýší tuhost celé konstrukce a tak umožní použití tenčího a lehčího materiálu, dále znemožní vniřní rezonanci na nízkých kmitočtech, které se obtížně tlumí, a v neposlední řadě udrží provizorní funkčnost reprosloupu i při poškození některého z reproduktorů. Rozměry reprosloupu jsou vcelku dány rozměry reproduktorů a potřebným vnitřním objemem. Korpus reprosloupu jsme si dle  výkresu nechali vyrobit truhlářskou dílnou. Konstrukce je provedena vcelku a reproduktory, vnitřní tlumící materiál a výhybka byly dovnitř instalovány otvory pro reproduktory, konektory, madla atd. Jednoduchou ale kvalitní povrchovou úpravu - potažení tkaninou - jsme si provedli sami. Taktéž osazení reproduktorů a ostatního uchycovacího hardware jsme za pomocí vrtačky a přímočaré pilky zvládli "na koleně". Tlumícím materiálem byly nařezané kousky skelné vlny užívané jako tepelná a akustická izolaceve stavebnictví.

Už první praktické zkoušky potvrdily naše očekávání, že vyzařovací charakteristika je opravdu velmi široká. Poslechový test okamžitě prokázal, že bude nutné snížit citlivost resp. buzení výškového reproduktoru. Trochu zklamáním byl v reprodukci nedostatek basů, ale reprosloup zatím neprošel žádným laděním a vyzařování nejnižších kmitočtů jsme vzhledem k jeho velikosti a použitým reproduktorům ani neočekávali. Vzhledem k tomu že bluegrassová kapela  CVYKR hraje a zpívá ve stylu "retro" na jediný historický mikrofon (slavný  NEUMANN CMV563) se ukázalo, že bude nutné reprosloup také vhodně umístit. Nejlépe do výšky s náklonem na poslechovou plochu tak, aby nedocházelo ke zpětné vazbě, protože použitý studiový mikrofon má velice širokou snímací kardioidní charakteristiku a s jednopalcovou membránou je na zpětnou vazbu velice náchylný.

První měření
Vzhledem k tomu, že nedisponujeme bezdozvukovou komorou, nahradili jsme ji venkovním otevřeným prostorem. Měření bylo prováděno spektrálním analyzátorem  AUDIOSCOPE 3000 s měřícím mikrofonem M3000. Reprosloup byl umístěn na stojan vysoký cca 1,6m. Měřicí mikrofon byl umístěn do osy reprosloupu ve vzdálenosti 4m. Výškový reproduktor byl provizorně zatlumen o 3,7dB.
Kontrolní poslech opět prokázal širokou vyzařovací charakteristiku včetně vysokých kmitočtů, což je dáno příznivou charakteristikou výškového reproduktoru  BEYMA CP21-F. Srozumitelnost byla vynikající i v úhlu 90º od osy vyzařování. Potvrdil se úbytek nízkých kmitočtů pod 125Hz.

Ladění reproduktorové výhybky
Abychom se vyhnuli pracné výrobě reproduktorové výhybky použili jsme sériově vyráběnou  DEXON 2WP 5.0-400 jež má dělící kmitočet 5kHz a strmost horní propusti pro výškový reproduktor 18dB a dolní propusti pro středobas 6dB. Obsahuje ochranu výškového reproduktoru před přetížením. Měření bylo prováděno opět spektrálním analyzátorem AUDIOSCOPE 3000. Výhybka byla připojena k zesilovači a k reproduktorům, takže měření probíhalo při komplexní zátěži:

Úprava výhybky spočívala v zatlumení výškového reproduktoru o 5,5dB (odpory 3,3Ω a 8,2Ω), kompenzace impedance basového reproduktoru (odpor 10Ω a kondenzátor 4μF resp. 4x 1μF) a zvýšení strmosti dolní propusti pro basový reproduktor na 12dB/okt.(kondenzátor 6,8μF):

Odpory jsou výkonově dimenzovány na 20W, kondenzátory jsou použity svitkové na 100V.

Basreflex
Přesto, že pro celé pásmo jsme vždy uvažovali použití reprosloupu s vhodnou subbasovou reprosoustavou, nabídla se myšlenka rozšířit vyzařovací charakteristiku směrem k nízkým kmitočtům pomocí basreflexu, byť je to u reprosloupu neobvyklé. Reproduktor  BEYMA 5MP60/N je pro basreflexové ozvučnice vhodný, jeho rezonance (měřená v zapojeném stavu v ozvučnici pomocí  freewarového generátoru, avometu a 10Ω odporu) je cca 57Hz. Pro výpočet basreflexu jsme použili freeware  WinISD Pro Alpha, kde jsme našli vhodný rezonanční kmitočet basreflexu 65Hz. Dle výsledku  výpočtu jsme reprosloup osadili 18ks basreflexových nátrubků ø25mm a délky 100mm. Na každý z reproduktorů tak připadají dva nátrubky, které jsme rozmístili na oba boky reprosloupu.
Negativem, které přináší použití basreflexu, je to, že reproduktory pod rezonančním kmitočtem basreflexu nejsou nijak tlumeny, což u ozvučovací reprosoustavy pro velké výkony přináší nebezpečí zničení reproduktorů nízkými kmitočty. Jelikož jsme chtěli mít reprosloup co nejvíce univerzální a odolný pro použití v terénu, bylo nutné předřadit horní propust na velmi nízkém kmitočtu cca 60Hz.
Součástky pro výhybky jsou však velmi náročné: velké hodnoty kondenzátorů a především tlumivek, které musí být vinuty na jádře z orientovaných plechů. Pro jednoduchost jsme použili opět sériově vyráběnou výhybku původně určenou pro subwoofer a dvojici satelitů s dělícím kmitočtem 120Hz  BOTES J-SB-8. Její úpravou (přepojením a doplněním kondezátorů) na jeden kanál dle schématu jsme dostali výhybku s dělícím kmitočtem 60Hz.

Druhé měření v bezdozvukové komoře
Díky laskavosti pracovníků Českého rozhlasu studio Brno nám bylo umožněno provést měření v bezdozvukové komoře tzv. plenéru. Cílem bylo změřit prostorovou vyzařovací charakteristiku reprosloupu v horizontální a vertikální rovině po 10°. Měření bylo prováděno při nastaveném příkonu reprosloupu 1W se sejmutou ochrannou mříží. Vzhledem k rozměrům reprosloupu a velikosti bezdozvukové komory byl měřící mikrofon umístěn ve vzdálenosti 2m. Měřící zařízení: spektrální analyzátor AUDIOSCOPE 3000 s měřícím mikrofonem M200.

Naměřené charakteristiy celkem odpovídají původním předpokladům. Nízké kmitočty (125Hz) se šíří prakticky všesměrově takže vyvedení výústků basreflexů na bocích reprosloupu nikterak nevadí. Kmitočet 250Hz je již vyzařován směrově a tento účinek směrem k vyšším kmitočtů ještě stoupá. Zajímavý je mírný odklon osy nejvyšších kmitočtů 10° až 30°. Minimum vyzařování pak lze hledat v zadní části pod reprosloupem někde mezi 230° a 260° ve svislé rovině a 160° resp. 200° ve vodorovné rovině.

Rekapitulace použitého materiálu:

Materiál	Množství	Dodavatel např.
Reproduktor BEYMA 5MP60/N	9 ks	DEXON kat.č.: 02016
Reproduktor BEYMA CP21F	1 ks	DEXON kat.č.: 02305
Výhybka DEXON 2WP 5.0-400	1 ks	DEXON kat.č.: 12928
Odpor 10Ω/10W	1 ks	GM ELECTRONIC
Odpor 3,3Ω/20W	1 ks	GM ELECTRONIC
Odpor 8,2Ω/20W	1 ks	GM ELECTRONIC
Kondenzátor 1μF/100V	4 ks	GM ELECTRONIC
Kondenzátor 6,8μF/100V	1 ks	GM ELECTRONIC
Roh rovný dvoustranný	8 ks	DEXON kat.č.: 12011
Potahová tkanina černá	2 bm	DEXON kat.č.: 12379
Kovové ucho WYR	1 ks	DEXON kat.č.: 12055
Miska univerzální kov zinek	1 ks	DEXON kat.č.: 12171
Konektor SPEAKON panelový	1 ks	PRODANCE
Polohovatelné hnízdo pro reprostojan AH SM707	1 - 2 ks	PRODANCE
Basreflexový nátrubek TIPA Basreflex 25x102mm	18 ks	TIPA kat.č.: 05580004
Reprovýhybka BOTES J-SB-8	1 ks	TIPA kat.č.: 05570039
Kondenzátor 330μF/50V	2 ks	GM ELECTRONIC
Korpus reprosloupu	1 ks	truhlářská dílna
Deska ze skelné vlny URSA AKP2/V tl. 5cm	0,5 m2	stavebniny
Vodiče o průřezu 2,5mm2 s izolací	10 m	elektro
Ochranná mříž reproduktorů	1 ks	zámečnická dílna

Vlastnosti prototypu reprosloupu:

Nominální impedance:	8 Ω
Maximální příkon:	475 W
Osová citlivost SPL 1kHz/1W/1m:	95,5 dB
Maximální SPL (vypočítaný):	120 dB
Kmitočtový rozsah bez basreflexu -10dB:	120 Hz - 16 kHz
Kmitočtový rozsah s basreflexem -10dB:	60 Hz - 16 kHz
Výhybka - dělící frekvence:	5 kHz
Výška, šířka, hloubka:	140 x 20 x 30 cm
Hmotnost:	36 kg

Co ještě zlepšit:
Prototyp omylem nebyl vyroben z překližky tl. 8mm, ale 12mm, takže při výrobě dalšího kusu je určitě dobré se zamyslet nad snížením hmotnosti celého reprosloupu. Celkové zeštíhlení včetně řidší ochranné mříže bude dalším pokusem. Nutné však bude vyřešit basreflex pro menší objem. Dobrým nápadem se jeví osazení druhého připojovacího konektoru na opačný konec reprosloupu pro jeho snažší otáčení.

Použití reprosloupu:
Jak říká můj kolega akustik Radek Sikora: nejlepší je ozvučení z jednoho bodu a reprosloup je pro toto nejvhodnější, lze tuto teorii jen doporučit. Jistě, že není problém použít reprosloupy dva (pro stereo), ale jeden (mono) by běžné ozvučení měl utáhnout, samozřejmě ve spojení s vhodným subbasem pokud potřebujeme celé pásmo. V takovém případě však není nutné osazovat reprosloup basreflexovými nátrubky a lze samozřejmě vynechat ochrannou horní propust. Ochrannou horní propust i při osazeném basreflexu lze vynechat také v případě použití s elektronickou výhybkou (subsonickým filtrem) např. ve stabilní instalaci.
Vzhledem k široké vyzařovací charakteristice bude mít reprosloup výborné uplatnění při ozvučování volného prostoru, kde nepřispívají odrazy od stěn. V takovém případě se jeví jako vhodnější orientovat reprosloup výškovým reproduktorem dolů, V případě místnosti s odrazivým stropem je možné jej použít s výškovým reproduktorem nahoře.
Mikrofony by měly být umístěny tam kde reprosloup vyzařuje nejméně, což napoví naměřená prostorová charakteristika.
A náklady?:
Cena všech komponentů včetně výroby korpusu v truhlářské dílně vyšla kolem 15 tis.Kč (2007). Nutno připočítat pár hodin práce na zkompletování.
Srovnatelný výrobek fy DYNACORD reprosloup  CPS 820 s příkonem "jen" 100W přijde na dvojnásobek, je však obohacen o možnost připojení na 100V rozvod.