Patent (1983): Volume - Loudness z Tone Control bezpieczny dla głosnikow

 Patent (1983): Volume - Loudness z Tone Control bezpieczny dla głosnikow
 Wzrok i słuch są najważniejszymi zmysłami człowieka. Ponad 95% informacji człowiek odbiera wzrokiem ale słuch jest kanałem porozumiewanie się ludzi słowem a więc bardzo ważnym.
Kino i telewizja ( także magnetowidy i płyty Video Laserdisc ) oferują obraz i dźwięk. Sam dźwięk to telefon, radio, gramofon, magnetofony szpulowy i kasetowy i w końcu płyta CD.
O ile standard CD prawie przewyższa możliwości percepcyjne słuchu to jakość standardów telewizyjnych jest słaba jak na możliwości oczu i słaba przy jakości kina. Co gorsza dołożenie sygnału koloru mocno ograniczyło pasmo Luminancji. Pasmo jej w magnetowodach jest poniżej 2.5 MHz.
Obecnie odbiorniki TVC są coraz lepszej jakości i funkcjonalności. Słabymi ogniwami jest standard kodowania sygnału NTSC – PAL – Secam i kolorowy kineskop maskowy. Pobór prądu anodowego (czyli mocy ) przez CRT jest proporcjonalny do powierzchni ekranu. Wzrasta też energia do odchylania poziomego. Tak więc pobór mocy odbiornika TVC trzeba widzieć w kontekście wielkości jego ekranu.
Wysoka jakość dźwięku  w torze radiowym w dobrych odbiornikach TVC jest trudna do osiągnięcia i kosztowna. Natomiast implementacja średniej jakości jest tania i prosta. Ogranicza ją już standard  kodowania. Użyto w TVC dedykowanych, dobrej jakości głośników, które swoim polem magnetycznym rozproszenia i drganiami nie zakłócają pracy kineskopu maskowego.  
Analogowe metody zapisu – odczytu oraz transmisji radiowej osiągnęły  już kres możliwości. Płyty CD otwierają nowy cyfrowy rozdział w procesowaniu dźwięku.  

Zrozumiałość mowy maleje zarówno przy ograniczaniu pasma częstotliwości od dołu jak i od góry i przy ograniczeniu od dołu i od góry.
Spadkowi zrozumiałości mowy towarzyszy też nieprzyjemność w jej odbiorze i konieczność skupienia uwagi dla jej zrozumienia. Historyczny zakres pasma telefonicznego 300-3400 Hz został niestety usankcjonowany normami telefonii PCM z częstotliwością próbkowania 8 KHz wyznaczającą teoretyczny koniec pasma na 4 KHz a praktycznie na 3.4 KHz z uwagi na osiąganą selektywność dolnoprzepustowych filtrów antyaliasingowych.
Gdy audycje słowną (muzyczną z jakiegokolwiek źródła ) z odbiornika UKF FM przepuścimy przez regulowany (podwójny potencjometr Stereo w jednym filtrze ) filtr dolnoprzepustowy II rzędu i filtr górnoprzepustowy sami lub z pomocnikami – słuchaczami  możemy ocenić spadek zrozumiałości mowy  i spadek przyjemności z odbioru muzyki, która wymaga szerszego pasma niż mowa.
Ukształtowana ewolucyjnie optymalna  sprawność dekodowania mowy przez ludzki słuch i mózg jest przy  przy poziomie circa 60 dB.  Odbiór muzyki jest najlepszy przy poziomie ponad 70 dB ale w obecności postronnym szumów przy większym poziomie.  
Na rysunku pokazano widmo różnych instrumentów muzycznych. Sięga ono przy gęstości widma - 40 dB maksymalnie 8-10 kHz. Szersze widmo mają sygnały z elektronicznych syntezatorów i instrumentów z przetwornikami i elektronicznymi przystawkami.

  Dominujący obecnie głośnik dynamiczny z Voice Coil skonstruowano dopiero w 1925 roku  i później opatentowano.
Głośniki wstęgowe, wysokotonowe głośniki piezoelektryczne i głośniki elektrostatyczne stanowią mniej niż 0.1% rynkowy margines.   
Z braku magnesów stałych użyto wtedy elektromagnesu. Był on elementem filtru LC zasilacza wzmacniacza lub radioodbiornika jako że pojemność kondensatorów filtru zasilacza była mała dla koniecznej filtracji . Z powodu tętnień prądu dźwięk był trochę modulowany z podwójną ( prostownik dwupulsowy) częstotliwością sieciową 100/120 Hz .
Niepraktyczny, masywny stalowy magnes stały pioniersko użyto dopiero w 1930 roku.
W 1937 roku  Metro-Goldwyn-Mayerthe ( później pominięto końcowe the ) wypuścił pierwszy masowy system nagłośnienia do kin "The Shearer Horn System for Theatres". Użyto czterech głośników 15 calowych i jeden głośnik tubowy.  Częstotliwość podziału zwrotnicy wynosiła 375 Hz.
Konstrukcje głośników cały czas doskonalono. W latach siedemdziesiątych do optymalizacji użyto programów komputerowych i metod elementów skończonych FEM dla analizy i syntezy membrany .
Film "Gone with the Wind" z 1939 roku jako pierwszy kolorowy film dostał nagrodę "Best Picture". Film zdobył rekordową ilość nagród. Trwając 221 minut był wtedy najdłuższym filmem dźwiękowym. Dźwięk był dobrej jakości. Dźwięk Stereo w filie – kinie zastosowano już przed wojną. W Hollywood powstał prawdziwy przemysł filmowy zaopatrujący cały świat a część filmów zarabiała krocie. „Przemysł rozrywkowy” ma bardzo dobre rokowania na przyszłość. Prawidłowość ta dotyczy także Polski.
Muzyki z płyty i taśmy, radia i TV najczęściej słucha się nie za głośno i przy takim poziomie przekaz winien być jak najlepszy.

Po wojnie elektromagnesy głośników zostały stopniowo zastąpione przez magnesy Alnico. W małej szczelinie zapewniają wysoką indukcje ( „najnowszy” Alnico 5 do 1.28 T ) ale są podatne na przypadkowe rozmagnesowanie. Stąd zostały wyparte przez tańsze i niezawodne magnesy ferrytowe. W masowo produkowanych głośnikach nie są jeszcze używane silne magnesy z metalami ziem rzadkich. Materiał na membranę winien być sztywny, lekki i mieć duże tłumienie wewnętrzne. Tradycyjną celulozę ( ma on całkiem niezłe parametry ) czyli papier wzbogaca się dla polepszenia własności włóknami szklanymi, węglowymi, roślinnymi oraz impregnatami. W celach reklamowych zbudowano z papieru most !
Karkas cewki ( Voice Coil to też nazwa serwomechanizmu do pozycjonowani głowic w twardym dysku ) wykonany jest z materiału tolerującego podwyższoną temperaturę. Wysoką temperaturę ma wytrzymać też samospiekający lakier drutu cewki. Współcześnie kosz głośnika wykonany jest na prasie z blachy stalowej a kosze aluminiowe są rzadziej spotykane. Przetłoczenia nadają koszowi  odpowiednią sztywność. W głośnikach szerokopasmowych długość cewki jest tylko trochę większa niż wysokość nabiegunnika. Stąd maksymalna amplituda ruchu membrany bez wielkich zniekształceń jest niewielka. Głośnik ma wysoką skuteczność m.in. z racji wykorzystania do powstawania siły prawie całej cewki. W głośnikach niskotonowych o dużym skoku długość cewki jest 2-3 większa niż  wysokość nabiegunnika i stąd znacznie niższa ich efektywność. Niemiecka norma DIN45500 dotycząca sprzętu wysokiej wierności odtwarzania Hi-Fi jest pozornie liberalna jeśli chodzi o zniekształcenia głośników. Producenci rzadko podają zniekształcenia nieliniowe głośników a przy niskich i średnich częstotliwościach są one potężne. Modelowanie głośnika jest bardzo trudne. Wymagany jest między innymi model 2D membrany oraz model ( jest prosty ) generowanej siły w funkcji wysunięcia cewki z nabiegunników. Fale obecne w obudowie głośnika oddziaływują na membranę od tyłu jako mikrofon i wzbudzają zniekształcenia. I tak dalej. Znanych jest wiele źródeł zniekształceń nieliniowych – intermodulacyjnych głośników.
Koncern Philips nie jest światowym liderem w dziedzinie głośników ale jego produkty są miarodajne dla średnio, dobrego poziomu wyrobów „zachodu”. W 8 calowym głośniku niskotonowym AD80601/W ( gumowe otoczenie czyli „resor” membrany ) i AD80602/W ( poliestrowe otoczenie ) Philips z membraną papierową, indukcja w szczelinie wynosi 0.94 T a więc jest niemała. Energia pola magnetycznego w szczelinie wynosi 140 mJ. Normatywna moc głośnika wynosi 50 W a maksymalna 100 W. Producent nie podaje efektywności ale z wykresu można ją ocenić na 88 dB. Przy wysokości nabiegunnika 5 mm długość cewki wynosi 10 mm a jej średnica 25 mm.
Charakterystykę częstotliwościową oraz pomiar zniekształceń 2 i 3 harmonicznej wykonano przy mocy zasilania 5W czyli 10% mocy nominalnej  w obudowie zamkniętej pojemności 25L napełnionej kilogramem tłumiącej waty szklanej.  

Przy małych częstotliwościach spada efektywność głośnika a szybko rosną zniekształcenia głośnika.
NB. Próba podniesienia basów przy większej mocy głównie powoduje podniesienie średnio-niskich tonów oraz powiększenie zniekształceń i niewiele dobrego daje. 
W przedziale częstotliwości 1-2 KHz zniekształcenia d2 są rzędu 2-3% czyli ten głośnik trzeba zastosować w kolumnie trójdrożnej z pierwszą częstotliwością podziału circa 600 Hz. Pamiętać należy że pokazany głośnik operuje w pomiarach zaledwie z 10% nominalnej mocy !
Dźwięk liniowo zniekształcają zwrotnice głośnikowe. Głośnik wysokotonowy jest delikatny i mocno zniekształca niższe -  średnie częstotliwości. Z tego względu górnoprzepustowa zwrotnica głośnikowa winna być drugiego rzędu.  Impedancja wejściowa zwrotnicy winna być jak najbardziej rezystancyjna bowiem tranzystory mocy wzmacniacza mają bardzo ograniczony obszar bezpiecznej pracy SOA i są bardzo wrażliwe na obciążenia reaktancyjne.
Mniejsze zniekształcenia niż głośniki niskotonowe mają głośniki średnio i wysokotonowe ( kopułkowe lub z dodaną tubą ) ale w swoim prawidłowym zakresie pracy. Zdania na temat najlepszego materiału na kopułkę tych głośników są podzielone. Philips stosuje impregnowany żywicą „textile” czyli prawdopodobnie tkaninę jedwabną o nieznanej nazwie handlowej.  Według modnego nazewnictwa jest to materiał kompozytowy.
Efektywność spotykanych głośników mieści się w granicach 84-102 db. Większą efektywność mają głośniki tubowe. Rozpiętość sprawności jest więc ogromna.  Pamiętać należy że 10 dB w skali mocy to aż 10 razy. W domowych kolumnach głośnikowych Hi-Fi zależy producentom na płaskiej charakterystyce częstotliwościowej i szerokim paśmie. W zestawach estradowych liczy się głównie efektywność !
Gdy producent oferuje kompletny zestaw elektroniczno – akustyczny, a tak powinno być, istnieje wymienność mocy wzmacniacza na skuteczność głośników. Głośnik z większym magnesem o większej średnicy czyli droższym  jest skuteczniejszy ale droższy. W materiałach reklamowych zwraca się uwagę na moc wzmacniacza i klienci pozytywnie kojarzą ten parametr. Efektywność głośnika nie jest eksponowana i klienci słabo ją kojarzą. Stąd w zestawach domowych efektywność głośników nie jest duża w przeciwieństwie do zestawów estradowych.

 Mając dostęp do sygnałów wychodzących ze zwrotnicy głośnikowej do głośników ( o znanych częstotliwościach F podziału ) oraz Woltomierz wartości skutecznej RMS można monitorować poziom sygnałów dla głośników nisko, średnio i wysokotonowego. Można ocenić czy podany testowy szum jest różowy. Dla szumu różowego wartość RMS w stosunku do wartości średniej sygnału jest tym większa im jest on bardziej szerokopasmowy.

Potencjometrami Bass – Treble (podniesione Bas i opuszczone Treble ) można odfiltrować szum z niedostrojonego tunera UKF FM (nie może on odbierać nawet śladu żadnego sygnału stacji ) na spektrum sygnału bliskie szumu różowego.
Budowa odpowiedniego generatora szumu różowego jest jednak bardzo prosta. Wykorzystuje się szum generowany przez diodę Zenera o napięciu >10 V  lub  złącze B-E tranzystora zaporowo spolaryzowane bardzo małym prądem. Szum jest następnie wzmacniany i słabo filtrowany z opadającym nachyleniem 3 dB /Octawę.
Trudność pomiar wartości skutecznej RMS jest „proporcjonalna” do szerokopasmowości sygnału związanej ze Współczynnikiem Szczytu czyli Crest Factor.
Dla nietrudnych sygnałów wystarczy jako przetwornik RMS prostownik quasi – szczytowy.
Generalnie przetwarzanie – przesyłanie  szerokopasmowych sygnałów o dużych wartościach CF jest bardzo trudne. Takimi sygnałami jest sygnał Telefonii Nośnej dużej pojemności i sygnał Telewizji Kablowej CATV o dużej ilości kanałów.
 
 Moc znamionowa głośników jest określona w międzynarodowej normie IEC-268 podającej sposób testowania parametrów głośników. Zasilany filtrowanym szumem różowym ( odcięcie infradźwięków i ultradźwięków ) o CF ograniczonym / obciętym  do 2 głośnik z jego "maksymalną mocą" ( Wynika ona z kwadratu wartości napięcia RMS sygnału testowego i podzielonego przez nominalną oporności głośnika. W rzeczywistości dostarczana do głośnika moc jest mniejsza dlatego że impedancja w szerokim zakresie częstotliwości  jest większa niż oporność i ma współczynnik mocy cos phi <1   ) powinien bez nadmiernych zmian parametrów wytrzymać 1000 godzin testu.
W szumie różowym 1/F moc w każdej oktawie czy  dekadzie jest taka sama.
Głośnik średnio i wysokotonowy w zestawie  jest zasilany tym szumem różowym poprzez podane przez producenta filtry LC średnio i górnoprzepustowe. Mają one podaną moc w zestawie głośnikowym gdzie pracują jako głośniki średnio i wysokotonowe z odpowiednimi zwrotnicami LC pokazanymi w dokumentacji ! Zauważmy że przy podaniu do typowego głośnika niskotonowego sygnału sinusoidalnego 50 Hz dopuszczalny skok membrany jest przekroczony już przy części „mocy” ( w rozumieniu IEC-268 ) znamionowej. Stąd wniosek że mocne podniesienie silnych w materiale muzycznym basów przy dużej mocy stopniowo jednak degraduje głośnik niskotonowy.
Typowy 12 cm średniotonowy  głośnik  toleruje moc ciągłą 5 W i może pracować w zestawie głośnikowym 60 W przy częstotliwościach podziału podanej zwrotnicy LC 550-5000 Hz. Jest to szeregowy obwód LC ( 0.35 mH i 24 uF) o nominalnej dobroci z rezystorem 8 Ohm ( ale cewka głośnika ma też niewielką  indukcyjność ) Q=0.48 KHz i F=1.73 KHz. Częstotliwość ta jest bliska średniej geometrycznej obu częstotliwości podziału.
Typowy wysokotonowy kopułkowy głośnik „1 calowy” toleruje moc ciągłą 2-3 W i może pracować w zestawie głośnikowym 50 W  przy częstotliwości podziału 4 KHz podanej zwrotnicy LC  lub w zestawie mocy 20 W przy częstotliwości podziału 2 KHz.

Są też bardziej liberalne niż IEC normy anglosaskie. Wymagają one aby głośnik po 2 godzinnym teście odfiltrowanym szumem różowym pełną mocą nie zmienił parametrów bardziej niż o 10%.
Sygnały mowy i muzyki cechuje wysoki współczynnik szczytu ( Crest Factor ) czyli stosunek mocy maksymalnej do średniej RMS. Zależy on od rodzaju materiału dźwiękowego. Nieprzesterowany wzmacniacz o mocy maksymalnej takiej jaką ma głośnik odtwarzając mowę czy muzykę nie uszkodzi głośnika basowego i szerokopasmowego. Po maksymalnym podniesieniu tonów wysokich przy odtwarzaniu rocka i jazzu może być przeciążony głośnik wysokotonowy zestawu. Przy przesterowaniu wzmacniacza parametry mocno przeciążonych głośników mogą dość szybko ulec pogorszeniu a nawet głośniki mogą zostać szybko uszkodzone ! Toteż wysokiej jakości, drogie kolumny głośnikowe mają czasem wbudowane przekaźnikowe zabezpieczenia głośników powodujące przy przeciążeniu ich odłączenie. Jedno z przeprowadzonych badań pokazało że już po 2 latach używania przez młodych miłośników rocka, około 70% kolumn głośnikowych ma uszkodzony głośnik wysokotonowy i zdegradowany niskotonowy !
Cewka głośnika jest delikatna. Cewka innego przykładowego 4 Ohm - owego głośnika niskotonowego o średnicy 170 mm i mocy ciągłej 50 W ma średnicę 40 mm. Uzwojenie cewki wykonanej drutem AWG 30 ( American Wire Gauge ) czyli o średnicy miedzi 0.255 mm, ma 85 zwoi. Jego oporność DC wynosi 3.8 Ohma. Miedź ma masę tylko 5.5 grama.
Za źródłem - Po podaniu do cewki tego głośnika napięcia 15.2 Vdc prąd z początkowych 4A spada do 3A już po 19 sekundach. 
Uzwojenie głośnika średniotonowego czy wysokotonowego jest o wiele bardziej delikatne.
Miedź uzwojenia głośnika średniotonowego do zestawu z opisanym wyżej głośnikiem niskotonowym waży 0.5 - 1 grama.
Dużo więcej miedzi niż cewki głośników mają cewki filtrów LC - zwrotnic w kolumnie głośnikowej. Ilość miedzi można ograniczyć stosując rdzeń w cewkach ale dla zestawów wysokiej jakości wprowadzane zniekształcenia są niedopuszczalne. Zamiast kondensatorów foliowych można w zwrotnicy zastosować mniejsze i tańsze  bipolarne kondensatory elektrolityczne ale znów kosztem powiększenia zniekształceń nieliniowych.
Aby sprawdzić reakcje głośnika niskotonowego na napięcie stałe należy dołączyć głośnik do  stabilizowanego zasilacza. Od razu zauważymy stopniowy spadek pobieranego prądu jako że uzwojenie się dość szybko nagrzewa a miedź ma znaczny temperaturowy współczynnik oporności. Nie należy zbyt mocno nagrzewać uzwojenia. Klasyczny głośnik wytrzymuje temperaturę miedzi cewki circa 150C ale wytrzymałość nowoczesnych głośników jest większa. Membrana zasilanego muzyką głośnika niskotonowego poruszając się wentyluje cewkę i odprowadzenie ciepła jest trochę skuteczniejsze niż przy prądzie stałym.
Skutkiem nagrzania i wzrostu oporności cewki maleje skuteczność przeciążonego głośnika. Jeśli nie przekroczymy granicznej temperatury powodującej degradacje korpusu cewki spadek efektywności głośnika jest po ostygnięciu odwracalny ale zmęczeniu i degradacji ulega tez materiał membrany.
Przykładowa ochrona wbudowana w kolumnę głośnikową najwyższej klasy  toleruje pełną nominalną moc przy częstotliwości sygnału 300 Hz i poniżej, przez 6 sekund a przy pełnej mocy przy dużej częstotliwości działa momentalnie.

 Polska w 1972 roku kupiła licencje dla fabryki Tonsil ( wdrożona tam w 1973-1974 ) na 18 typów głośników od silnego japońskiego koncernu Pioneer. Firma ta jest w czołówce firm wprowadzających innowacje na rynki zachodu i świata. W dacie zakupu licencji głośniki były nowoczesne ale z powodu braku modernizacji produkcji obecnie kolumny głośnikowe z nimi już nie nadają się na rentowny eksport.
W niemieckiej firmie MB Haun kupiono wtedy  licencje  na 11 typów mikrofonów i 2 typy słuchawek. Identycznie jak z głośnikami były to wyroby nowoczesne ale bez modernizacji są obecnie nie eksportowalne.
Generalnie ten patologiczny brak modernizacji produkcji powtórzył się przy wszystkich licencjach, sprowadzając Polskę na samo dno.

 Wykonanie układu zapobiegającego przesterowaniu wzmacniacza jest proste i tanie ale producenci zdają sobie sprawę że użytkownicy oceniają głośność przesterowanych wzmacniaczy i funkcji nie wbudowują. Funkcjonalność ogranicznika wzmocnienia w przypadku użycia procesora DSP sprowadzi się do kilkunastu instrukcji programu.
Układ zapobiegający przeciążeniom czyli zapewniający trwałość głośników pozwala długo cieszyć się dobrym ich brzmieniem. Przeciążanie stopniowo deformuje charakterystyki częstotliwościowe głośników ale też obniża efektywność głośników. Tak więc długo, dobrze i w miarę głośno można pograć tylko bez mocnego przesterowania wzmacniacza i przeciążania głośników.
Rozłączenie przekaźnikiem bipolarnym w układzie zabezpieczającym kolumny głośnikowej brutalnie przerywa jednak odsłuch.

Współczynnik szczytu sygnału ( Crest Factor CF ) jest tym większy im sygnał jest bardziej szerokopasmowy. Dla szumu białego jest on nieskończony.
Nadmierne podnoszenie wysokich tonów przy głośnym odsłuchu powoduje pogorszenie parametrów głośnika wysokotonowego a następnie jego uszkodzenie.
Realizator nagrania stara się zapewnić jak najlepsze brzmienie utworowi muzycznemu. Regulacja tonów teoretycznie winna tylko pokryć złe własności pomieszczenia i głośników ale tego nie potrafi. Przy cichym słuchaniu niskie tony winny być stosownie podniesione regulacją fizjologiczną.
NB. Japońscy producenci sprzętu najwyższej klasy słusznie ograniczają głębokość regulacji tonów nawet do +-6 dB.
Dotychczas cyfrowe przetwarzanie sygnałów DSP dotyczyło wąskich zastosowań egzotycznych. Metodami DSP przetwarzano na okrętach podwodnych USA sygnały z hydrofonów celem ustalenia położenia i rodzaju okrętu wroga. Filtracje Kalmana stosowano w USA do sygnałów z radarów systemów obrony strategicznej USA.
Koncern ITT w 1982 roku wypuścił pionierski zestaw układów scalonych do DSP sygnałów Video i Audio w odbiorniku telewizyjnym TVC. Japoński koncern NEC wypuścił pierwszy komercyjny ( pierwszy DSP wyłącznie dla siebie wyprodukował Bell czyli jego WE ) procesor DSP ogólnego zastosowania.
Procesor ITT DSP Audio jest stałoprzecinkowy i w związku z tym konieczne jest skalowanie / zmniejszenie sygnałów przed ich selektywnym podniesieniem regulacją Bass / Treble co zawsze prowadzi do wzrostu szumów obliczeń. To zmniejszenie jest finalnie odwracane aby zachowanie regulacji z punktu widzenia użytkownika było poprawne  Konstruktorzy doszli też chyba do wniosku że podnoszenie tonów przy wysokim ustawieniu głośności jest niepotrzebne ale też szkodliwe:
„If the required volume compensation by means of Volume 2 is not in the available Volume 2 range, the choosen tone setting is not permitted. Hence , at full Volume 2 setting, a bass and treble boosting is not possible.”
Zatem gdy mocno zwiększamy głośność podniesienie Bass i Treble zostanie zmniejszone a przy mocy maksymalnej zmniejszone całkowicie. Akcja jest odwracalna.
Do takiego samego wniosku doszedł Autor - Przy dużych mocach nie powinno być możliwe podnoszenie ani Basów ani Sopranów.
Basy są rzadko zmniejszane przez użytkowników i normą jest ich podnoszenie.    

 Moc wyjściowa akustycznych wzmacniaczy lampowych była niewielka. Legendarny wzmacniacz Philips Mullard z 1955 roku miał moc wyjściowa 20 W pobierając stale z sieci moc około 140 Wat
i jeszcze więcej VA. Uznane lampowe estradowe wzmacniacze  Marshall  rzadko mają moc większą od 100 Wat. Zasilają one głośniki o dużej efektywności. W głośnikach tych uzwojenie cewki jest tylko trochę dłuższe  niż szczelina magnesu i nawet po wychyleniu cewki z membraną cały czas pozostaje w szczelinie magnesu stała długość cewki. Magnesy Alnico zapewniały znaczną indukcyjność w szczelinie ale pole powściągające dla nich jest dość małe. Czyli magnes musi być duży, ciężki i drogi. Głośnik o relatywnie do rozmiarów niewielkiej mocy ( rozmagnesowanie ) może mieć efektywność ponad 100 dB/Wat.  Charakterystyka częstotliwościowa tych głośników jest marna i basy odtwarzają nie za dobrze.

Problem z przeciążanymi głośnikami powstał wraz upowszechnieniem się silnych tranzystorów mocy o szerokim obszarze SOAR, głównie produkcji japońskiej.
Po przesterowaniu wzmacniacza uszkodzenie głośnika wysokotonowego jest tylko kwestą czasu. Przy otwartym obwodzie ( przerwane uzwojenie głośnika ) zwrotnica LC głośnika wysokotonowego wokół częstotliwości rezonansowej bardzo mocno obciążą wzmacniacz i uszkodzenie jego tranzystorów jest tylko kwestią czasu.

NOWATORSKI układ Volume - Loudness – Tone Control
Bierny a następnie aktywny układ „Tone Control” z niezależnym regulacjami Bass – Treble w górę i w dół wynalazł James Baxandall ( Baxandall, P.J. “Negative feedback tone control – independent variation of bass and treble without switches” Wireless World 58.10 Oct. 1952, 402  ) a do tego czasu były tylko znane prymitywne rozwiązania.
Potrzeba „Tone Control” pojawiła się wraz z płytami gramofonowymi ( najważniejsza jest w świecie amerykańska krzywa korekcji RIAA ) i niedługo znikła ale istniał powód własności fizjologicznych słuchu bowiem spadkowi natężenia dźwięku przy niskich częstotliwościach towarzyszy spadek czułości słuchu. To drugie zadanie wykonuje jednak o wiele lepiej fizjologiczna regulacja głośności Loudness.
Regulacje Tone Control szybko stały się atutem reklamowym i producenci po wpływem mody i terroru rynku masowo je zastosowali. Niedługo stała się ona szkodliwym absurdem.
Z „Pustego i Salomon nie naleje”. W Polsce sygnał dla radiofonii UKF FM nadal przesyłany jest dwoma kanałami systemu telefonii nośnej z pasmem co najwyżej 7 KHz. Gdy więc podniesiemy Soprany to dodamy głównie szumy psując jakość. Aby coś „odebrać” to wcześniej trzeba to „nadać” !
Gdy odbieramy audycje FM Stereo a odbiornik ma słaby filtr LC MPX za stereodekoderem to maksymalne podniesienie Sopranów skutkuje obciążenie podnośną MPX głośnika wysokotonowego i wzmacniacza oraz generacją intermodulacji co nadaje specyficzne, podłe brzmienie temu bigosowi. 
Gdy sygnał dobrej jakości z dużą ilością wysokich tonów podniesiemy soprany to przy dużej mocy szybko uszkodzimy głośnik wysokotonowy.
Podniesione basy głośnik słabo je odtwarzający jako tako je odtworzy tylko przy małym poziomie a przy dużym zmienia się to w charkot.
Dodanie etatowego systemu  głębokiej regulacji  Tone Control skutkuje mocnym podniesienie poziomu szumów wzmacniacza i irytującymi szumami spoczynkowymi i czasem znacznym podniesieniem poziomu zniekształceń nieliniowych THD. Część mądrych producentów z całego świata (w Polsce niestety połowicznie) w zachowała potencjometry Bass – Treble ale stosowała płytką regulacje. Część płytką regulację przeniosła w  sprzężenie zwrotne – tanio uzyskuje się najlepszy efekt !

Od połowy lat siedemdziesiątych koncerny japońskie ośmieszają w dziedzinie RTVC firmy zachodu.
Patologiczna głębokość regulacji Tone Control sięgała na końcach pasma akustycznego 20 Hz – 20 kHz +-20 dB a niewspółbieżność regulacji tonów kanałów Stereo w układzie biernym sięgała wtedy punktowo 4 dB !
Koncerny Japonii zmniejszyły zakres regulacji Tone Control do +-6 … 10 dB.
Następnie zastosowały swoje Innowacje:
-Podwójną regulacje Bass - Treble z 4 potencjometrami !
-Przełączane częstotliwości odcięcia Bass - Treble
-Tone Control o małych przesunięciach fazy
-Przycisk Direct powodujący ominięcie układu Tone Control
Gdy funkcje przełączania sygnałów realizowane są zdalnie pilotem konieczne było czasem przy najwyższej jakości  użycie miniaturowych przekaźniczków ze złoconymi stykami.  

 Natomiast w układzie fizjologicznej regulacji głośności Loudness zastosowano dodatkowy potencjometr regulujący głębokość tej korekcji.

Sprawa regulacji fizjologicznej jest złożona.
Może ona działać poprawnie tylko przy właściwym poziomie sygnału wejściowego  w stosunku do nominalnego. Gdy sygnał jest za duży ( to najczęstszy przypadek ) niepotrzebnie podniesie nam ona basy i uczyni głos nieprzyjemnym w odbiorze. Gdy sygnał jest za mały, podniesienie niskich tonów jest za małe.
Przy małych częstotliwościach spadek czułości ucha przy małych sygnałach jest szybszy niż 6 db /oct jaki maksymalnie jest w typowej regulacji Loudness.
Ewolucja sprawiła że ucho nie zużyte najlepiej analizuje sygnał mowy przy poziomie około 60 dB. Zarówno przy poziomie mniejszym jak i większym zrozumiałość mowy spada. Natomiast najlepszy odbiór muzyku jest przy wyższym poziomie dźwięku. Zarówno w przypadku mowy jak i muzyki zakłócenia otoczenia podnoszą wymagany poziom audycji. 
 
W PROPONOWANYM  i sprawdzonym zintegrowanym układzie Loudness / Tone Control:
-Tylko dla zestawów przenoszących faktycznie niskie częstotliwości.
Dla zwiększenia szybkości narastania wzmocnienia przy malejących, niskich częstotliwościach ( i małych sygnałach ) w dolne wyprowadzenie potencjometru Loudness zwykle dołączone do GND dano kondensator Cb. Jest on zwierany dla dezaktywacji funkcji. Wielkość pojemności tego kondensatora optymalizujemy dla szczytowego poziomu odbioru około 60 dB przy częstotliwości ca 40 Hz. Ponieważ kondensator foliowy wymaganej pojemności jest duży i drogi można i należy  tu zastosować kondensatory elektrolityczne. Ponieważ pracują przy bardzo małym napięciu zmiennym wnoszone zniekształcenia nieliniowe są z pewnością niemierzalne.
Mankamentem tego rozwiązania jest to że przy ustawionej głośności Loudness na Zero napięcie zmienne ( DC jest zerowe) z tego kondensatora jest podane do wzmacniacza i w głośniku w cichym pomieszczeniu cicho słychać bardzo niskie bum, bum z sygnału.
Oprócz dezaktywacji wartość pojemności może tez być przełączana ( Cb1, Cb2 – b jak bass ) tak jak to w Tone Control czynią koncerny Japonii.  Subiektywna ocena tej funkcjonalności jest bardzo dobra.
Zatem niskie basy są podnoszone tylko gdy to jest potrzebne i nie ma szansy szybkiego zużycia głośnika niskotonowego. Przy normalnym słuchaniu mocno mogą być podniesione najmniejsze częstotliwości i muzyka brzmi znakomicie nawet przy poziomie ca 60 dB. Głos nie jest przy tym nieprzyjemnie buczący.

-Zastosowano regulacje Treble z biernej „Tone Control” Baxandall-a  ( czyli potencjometr charakterystyki C z dwoma kondensatorami Ct1 i Ct2, t od treble ) z której wyjście dano do odczepu potencjometru Loudness. Regulacja Treble działa  zatem w pełni tylko do poziomu sygnału z odczepu potencjometru a przy ustawieniu potencjometru Volume ( z funkcją Loudness ) ma Max w ogóle nie działa. I przecież dokładnie o to chodzi w kontekście korygowanie wad przekazu i nieprzeciążania głośnika wysokotonowego.
Wartość górnej pojemności Ct1 od Treble także może być przełączna tak jak to w Tone Control czynią koncerny Japonii.

-Zastosowano tylko podnoszącą regulacje Bass. W typowym szeregowym dwójniku ( l jak Loudness )  RlCl od odczepu Loudness do GND dodano do kondensatora Cl równolegle potencjometr  regulacji Bass. Podnoszenie basów w pełni tylko do poziomu sygnału z odczepu a przy ustawieniu potencjometru ma Max w ogóle przestaje działać. I przecież dokładnie o to chodzi w kontekście korygowanie wad przekazu i nieprzeciążania głośnika niskotonowego.
Wszystkie potencjometry mają charakterystykę C.
Dla uzyskania pożądanej głębokości regulacji Bass wzmacniacz mocy za potencjometrem musi mieć dużą impedancje wejściową i w tym celu na jego wejściu zastosowano specyficzny „Bootstrap” bez żadnych dodatkowych elementów ! Nietypową Transmitancje i impedancje wejściową takiego darmowego „filtru” górnoprzepustowego przeanalizowano w innym miejscu.  

Subiektywna ocena tej funkcjonalności jest bardzo dobra. Wartość pojemności Bass także może być przełączna tak jak to w Tone Control czynią koncerny Japonii.
Optymalne wartości  pojemności Cb i Cl ( stałe czasowe z nimi ) zależą od dolnego krańca poprawnie przenoszonych przez głośniki basów.
-Zwierany szeregowy kondensator Cv ( Vibration ) na wejściu to prosty  filtr dolnoprzepustowy zapobiegający wzbudzania się systemu z gramofonem poruszanym głośnikami.
Gdy system ma zdalne sterowanie jednocześnie kluczami ma być rozwarty Cv i zwarte Cb i Cl.  
-Oprócz regulacji głośności Volume - Loudness możliwa jest też niepokazana dodatkowa dla każdego wejścia – urządzenia regulacja poziomu Adj osłabiająca sygnał do -12 dB tak aby za silny sygnał wejściowy stłumić do normalnego poziomu co pozwala optymalnie i wygodnie pracować regulacji Loudness - Tone Control. Możliwe są tez dwa przełączniki osłabiające sygnał po -6 dB czyli maksymalnie 12 dB.
Indywidualne dla wejść potencjometry i przełączniki mogą być umieszczone na płycie tylnej wzmacniacza przy gniazdach.
 
Przy funkcjonalnych logarytmicznych wskaźnikach pokazujących ( mierniki wskazówkowe na czole wzmacniacza lub wyświetlacz „paskowe” fluorescencyjne lub pasek diod LED )  poziom sygnału akustycznego w granicach 30-110 dB, normalny akustyczny poziom 70 dB winien wystąpić przy ustawieniu potencjometru Volume - Loudness przed połową co korygujemy właśnie przyrządami Adj.

Oczywiście funkcje  Volume - Loudness – Tone Control  mogą być dezaktywowane przełącznikami mechanicznymi lub kluczami elektronicznymi przez mikrokontroler odbierający sygnały z pilota zdalnego sterowania. Dość złożony ( gdy wymagana jest dokładność, pasmo i małe zniekształcenia nieliniowe THD ) temat sygnałowych kluczy elektronicznych wyczerpująco omówiono w innym miejscu.
-Przełącznik równoległy do Cb wyłącza podniesienie super basów. Można tu użyć inversyjnie włączonego tranzystora bipolarnego.
-Przełącznik równoległy do Cl ( czyli potencjometru Bass ) wyłącza regulacje basów. Można tu użyć inversyjnie włączonego tranzystora bipolarnego.
-Przełącznik na wyjściu potencjometru Treble wyłącza regulacje tych tonów. Miejsce operacji jest trudne a wręcz krytyczne ale można zastosować rozwiązanie niekrytyczne ale z większą ilością tanich elementów.
-Przełącznik zwiera wejściowy kondensator Cv filtru antywibracyjnego dla gramofonu. Można tu użyć inversyjnie włączonego tranzystora bipolarnego ale tylko gdy sygnał wejściowy jest z bufora do którego może bezzakłóceniowo wpływać prąd bazy klucza. 

Funkcjonalności te można też łatwo wykonać programowo na procesorze DSP tak jak uczyniło to już ITT. 
Korekcja poziomu Adj może być przypisana do wybieranego wejścia sygnału tak aby głośność była niezależna od źródła sygnału. Korekcja ta winna być automatyczna !
Wraz z postępem standaryzacji winna ona być zbędna czyli sens jest stosowania jest dyskusyjny.