Hi-Fi rajongók, hangfal építők és kísérletezgetők szeretnék néha tudni, hogy mi egy adott hangszóró alap rezonancia frekvenciája. Erre találtam az Interneten egy egyszerű kis kapcsolást, aminek az elemzéséről szól e cikkem.
A hangszóró rezonancia hagyományos meghatározásához egy csomó minden szükséges. Kell egy hangfrekvenciás szignálgenerátor. Aztán kell egy hangfrekvenciás voltmérő. Továbbá kell egy frekvencia mérő is.
A jó hír az, hogy mindez szükségtelen!
Az általam használt kis, két tranzisztoros áramkörön kívül nekem már csak egy (Android-os) mobil-alkalmazás kellett a rezonancia frekvencia meghatározásához.
A megépített segédeszköz az alábbi, ahol az L1, L2, C4, R5 által alkotott komplexum (helyettesítő kép) helyére kell csatlakoztatni a vizsgálandó hangszórót!
A kapcsolás egy sajátos astabil multivibrátor, aminél a rezgési frekvencia meghatározó tagja főleg a (két kollektorra csatlakoztatott) hangszóró membránjának tömege, a kónusz és a mágneses tér által keltett rugóerő, a tekercs ellenállása (R5=8 ohm) és a tekercs induktivitása (L1=76uH).
A rezgő energia váltakozva hol a membrán rugóerejében, mint helyzeti energiában (C4-ben által tárolt, pillanatnyi elektromos energia jelképez a helyettesítő képben), hol pedig a membrán tömege (L2-ben tárolt, pillanatnyi mágneses energia jelképez a helyettesítő képben) által hordozott mozgási energiában tárolódik.
Az áramkört először próbapanelen próbáltam ki és az alkatrészek értékeit nagyjából beállítottam. Utána (játékból) betettem a kapcsolást a népszerű LTSpice szimulátorba, ahol végül a valósághoz közeli képet kaptam. A szimulátorhoz készült projektet mellékeltem e cikk alján (Hangszóró_freki.asc).
A rezgés oszcillogramja az alábbi (a valóságban is ehhez hasonló a jelalak).
A mért jel spektruma pedig az alábbi.
Az ábrán látható jel frekvenciája nagyjából 210Hz. Az általam alkalmazott hangszóró egy régi, csöves, fekete-fehér TV-ből származik, melynek az eszközzel mért rezonancia frekvenciája 213Hz és a keletkező rezgés nagysága (az egyik kollektor és a föld közt oszcilloszkóppal mérve) 200mVpp.
A C1 és C2 kapacitások azért kellenek, mert nélkülük az alaprezgésre 50-70kHz frekvenciájú vadrezgés is ül a gyors tranzisztorok és a hosszú mérővezetékek miatt. Ezt a hangszóró búgásán nem hallani, de az áramkör fogyasztását jelentősen növeli (esetleg melegszenek a tranzisztorok emiatt)!
Az LTSpice-ban megrajzolt helyettesítő képet úgy alkottam meg, hogy megmértem a hangszóró tekercsének induktivitását, illetve az ellenállását. Továbbá a kollektor ellenállás és a hangszóró által képzett feszülség-osztó osztási feszültsége az imént mért 200mVpp fele. Ebből kiszámoltam közelítőleg a helyettesítő kép tömegének megfelelő induktivitást (L=XL/(2*PI()*F)), ahol XL a számolt osztó alsó ellenállása (a felső az 1k), amit esetemben 0,15 ohmnak vettem. Ebből jött ki a 112uH. A rugóerőt képviselő kapacitást pedig a C=1/(2*PI*F*Xc) képlettel számoltam, ahol Xc szintén a 0,15ohm impedancia (ugyanis rezonancia esetén a rezgőkör kapacitásának és induktivitásának impedanciája is ugyanannyi (amiből származik a Thomson képlet is...). Így jött ki az 5000uF. Betéve a kapcsolásba a számolt értéket, meglepően jó közelítést kaptam annak ellenére, hogy a kónusszal kapcsolatos mechanikus veszteségeket jelképező ellenállást nem tettem bele a kapcsolásba. A számoláshoz egy kis Excel táblát készítettem, amit mellékelek. Azért, hogy a szimulációs eredmény a valósághoz közeli legyen, a táblázatban megadott impedancia értékével játszogattam. Pár próba után sikerült viszonylag jó értékeket kapnom. A teljes, párhuzamos LC-impedancia (a 213Hz-es frekvencián), egy online számoló honlap alapján 188 ohmnak adódott.
A hangszóró helyettesítő képével való bíbelődés csak egy játék volt a részemről, a méréshez, amiről a cikk elvileg szól szükségtelen! Tehát a helyettesítő kép helyére csatlakoztatjuk a mérendő hangszórót és jó esetben azonnal halljuk a membrán búgását. Ha esetleg mégsem, néha kis koppintással el kell indítani a rezgést. A kapcsolás a hangszórók méretétől és típusától (magas, közép, vagy mély-nyomó) függetlenül egyaránt működik.
Tranzisztornak bármilyen kis jelű tranzisztor megfelel. A tápfeszültség célszerűen 9 volt, a felvett áramerősség kb. 25mA. Érdemes az áramkört kis próbapanelra megépíteni és a hangszóróhoz vezető mérőkábeleket krokodilcsipesszel ellátni.
A frekvencia mérését egy ügyes kis mobil alkalmazással végeztem, ami azonnal ki is keresi a rezonanciát és a frekvenciát a csúcs fölé oda is írja. Az ingyenes program neve Spectroid.
A búgás frekvenciája felfelé elhangolódik, ha a mobilt a hangszóróhoz túl közel (1-2cm) tesszük! Ilyenkor ez olyan, mint ha megfeszítenénk a membránt. Tegyük tehát távolabb, kb. 5 centire a mobilunkat a hangszórótól! A kapott frekvencia értéke az amatőr felhasználáshoz szerintem eléggé pontos lesz.
A tápfeszültséggel a frekvencia szinte semmit, a hangerő viszont annál inkább változik. Nálam a minimális szükséges tápfeszültség 5V körül adódott. A maximum annyi, amennyit az áramkör kibír (15 voltot még biztosan)... 
Azt nem próbáltam, mi történik, ha egy "komplett" hangfalat (hangváltóval) csatlakoztatok az áramkörhöz. Talán ez még "megérne egy misét"...
Sok sikert a mérésekhez!
 hangszóró_calc.xlsx | [A helyettesítő képet segítő számolás] | 5 kB |
 Hangszóró_freki.asc | [LTSpice projekt] | 4 kB |