Vad har du för högtalare hemma och hur fungerar de?

Vad har du för högtalare hemma och hur fungerar de? Naturvetenskap med didaktisk inriktning 1-20p VT 2001 Johan Schröder ll99jsc@du.se 2001-03-07 1

Sammanfattning Denna uppsats ger en kort beskrivning av hur våra högtalare fungerar och är konstruerade. Med hjälp av illustrativa och enkla bilder ges läsaren möjlighet att på ett enkelt sätt få inblick i såväl uppbyggnad som konstruktion. Olika högtalarkonstruktioner såsom Elektromagnetiska, Dynamiska, Elektrostat, Magnetostat och Bandhögtalar konstruktioner förklaras uppbyggnadsmässigt och användningsmässigt. Olika sätt att förändra ljudets karaktär från högtalarelement till åhörare förklaras, t.ex. genom förklaring av olika typer av resonanslådor, delningsfilter och aktiva högtalare. Innehållsförteckning Sammanfattning Innehållsförteckning 1. Inledning... 2 2. Högtalarkonstruktionen... 2 3. Elektromagnetiska högtalarelement... 2 3.1 Dynamiska högtalarelement... 3 4. Elektrostat element... 3 5. Magnetostat element... 4 6. Bandhögtalaren... 4 7. Resonanslådan... 4 7.1 Sluten konstruktion...4 7.2 Basreflex konstruktion...4 7.3 Ljudlednings konstruktion...5 7.4 Horn konstruktion...5 8. Delningsfiltret... 6 9. Aktiva högtalare... 6

1. Inledning Syftet med den här uppsatsen är: Att söka, sammanställa och presentera kunskap från andra källor än direkta läromedel i naturvetenskap och teknik. Att göra en presentation i form av en skrift med datorbehandlad text och bild, för att kunna hjälpa elever med liknande presentationer. Detta har jag gjort genom att studera följande böcker och skrifter: Jacques Schultze, Leif Svensson, Fysik - Högstadiet - Försök och Fakta, Gleerups förlag, Arlöv 1994 Börje Ekstig, Göran Lundgren, Göte Nilheden, Studium Fysik NT3, Almkvist och Wiksell, Falköping 1991 Vance Dickason, The Loudspeaker Design Cookbook, Audio Amateur Press, Peterborough New Hampshire 1991. Kåre Mossberg, Nya Telekommunikation: 1. Signaler och Kretsar, Esselte Studium, Stockholm 1983. Bilder och grafiska exempel i den här uppsatsen är gjorda av mig själv. 2. Högtalarkonstruktionen Den enklaste formen av en högtalare (fig. 1) består av en elektromagnet, en permanentmagnet, och ett membran. Funktionen är enkel: När spänningen från spänningskällan (kanske en radio) är hög alstras en ström i spolen. Spolen får då ett kraftigt magnetfält som gör att membranet dras mot permanentmagneten. Om spänningen istället hade varit mindre, hade membranet istället rört sig mindre. Spänningen från spänningskällan varierar vilket gör att membranet rör sig fram och tillbaka. Dessa rörelser i luften ger longitudinella vågrörelser som vi genom våra öron uppfattar som ljud. Våra öron uppfattar ljud mellan 20 Hz och 20 khz. membran elektromagnet permanentmagnet Fig. 1, det elektromagnetiska högtalarelementets uppbyggnad. Hörseln är vårt känsligaste sinnesorgan. Vi reagerar på ofattbart små förändringar av ljudet. Hörbart ljud har mycket stora våglängdsskillnader vilket kommer leda till att lysningsrummet kommer att ömsom vara absorberande, ömsom vara reflekterande. Vid för låga toner ter sig rummet som en stor resonanslåda samtidigt som de högsta tonerna dämpas. Rummet och högtalarens spridning ger dessutom klangskillnader beroende på var i rummet man befinner sig i förhållande till högtalaren. 3. Elektromagnetiska högtalarelement Den mest frekventa högtalarkonstruktionen är en elektromagnetisk högtalarkonstruktion, i åtta fall av tio sker omvandlingen med hjälp av ett elektromagnetiskt högtalarelement. Det elektromagnetiska högtalarelementet beskriva också som en konhögtalare som alstrar ljudvågor då konen sätts i rörelse av en spole i ett magnetfält. Principen har många fördelar, men dess popularitet beror minst lika mycket på teknikens låga pris och måttliga storlek. Då våglängden för tonerna inom vårt hörselomfång varierar mellan 17 meter och 17 millimeter inser man att högtalarelementet ömsom är väsentligt större ömsom väsentligt

mindre än den alstrande våglängden. Ett högtalarelement sprider låga toner rundstrålande (fig.2). Högre upp i registren blir spridningen allt mer framåtriktad, ett av skälen till varför diskantelement är mindre än baselement och varför vi uppfattar de olika tonerna olika beroende på var man befinner sig i lyssningsrummet. Lägre toner, rundstrålande spridning Högre toner, framåtriktad spridning Fig. 2, högtalarelementets strålning. 3.1 Dynamiska högtalarelement Andra högtalarkonstruktioner som bygger på den elektromagnetiska högtalarkonstruktionen kan vara det dynamiska elementet. Det dynamiska elementet bygger på att tryckskillnaden mellan dess fram och baksida motverkar varandra. Ju mer rundstrålande elementet blir, desto viktigare blir det att förlänga avståndet mellan sidorna för att motverka en akustisk kortslutning. Enklast sker det genom att montera elementet på en stor skiva (baffel), som genom sin yta förpassar kortslutningsfrekvensen nedåt i tonregistren. Lösningen kan användas för att konstruera fungerande högtalarsystem men blir mycket skrymmande redan vid tämligen blyga bastoner. Vill man t.ex. återge en 60 Hz ton, krävs att skärmen har sidor på 2,8 meter. 4. Elektrostat element Elektrostatelement består av två fasta, akustiskt transparenta elektroder eller statorer. Emellan dessa spänns ett mycket lätt elektriskt ledande membran upp. På detta membran läggs en polarisationsspänning på åtskilliga tusen volt. Om man påför den elektriska musiksignalens plusoch minuspol på respektive stator, kommer membranet att påverkas av ett pulserande kraftfält. Membranet kommer alltså att påverkas av ett pulserande mottakts kopplat elektrostatiskt fält. Systemet ger en extrem låg distorsion men kräver att musiksignalen transformeras upp till flera tusen volt för att fungera. I denna konstruktion finns det risk för elektriskt överslag vid alltför hög spänning varför membranutslaget begränsas. Insisterar man på låg bas återgivning måste denna lilla membranamplitud kompenseras med en mycket stor utstrålande area. Det skapar stora konstruktions- och stabilitetsproblem. Dessutom så minskar ljudspridningen i samband med att diskantens utstrålningsyta ökar vilket leder till ännu fler konstruktionsproblem. En vanlig lösning är därför att göra elektrostathögtalaren smal för ökad horisontalspridning men samtidigt mycket hög för utökad utstrålningsyta och därmed också högre effektivitet. Principen går under namnet "linesource" och har goda spridningsegenskaper och en fördelaktig kvot mellan reflekterat och direkt ljud.

Den obligatoriska högspänningstransformatorn är emellertid en potentiell ljudförsämrare som alla elektrostatkonstuktioner måste brottas med. Elektrostaprincipen är vanlig i dyrare hörlurskonstruktioner pga. den låga distorsionen och den transientsnabba transparensen. 5. Magnetostat element Magnetostaten påminner en del om elektrostaten. Här har statorerna bytts ut mot två magnetfält med olika polaritet. Mellan dessa magnetfält placeras ett membran. På de membranet sitter en ytterst tunn metalltråd monterad. Då man låter signalspänningen passera i tråden kommer den att påverkas av magnetfältet varvid hela membranet sätts i rörelse. En stor fördel med systemet är att man inte behöver transformera upp den elektriska signalen till en högre potential varför man kan utesluta den problematiske ingångstransformatorn och konstruktionen lir både mindre, enklare och betydligt billigare. 6. Bandhögtalaren Konstruktionen består av ett mycket tunt ledande band som hängts upp i sin övre och undre kant. Två kraftiga magnetfält placeras därefter utmed membranets båda långsidor så att membranet obehindrat kan röra sig fram och tillbaka. Membranet kommer då att fungera som en enda lång utplattad ledare som sätts i rörelse av signalen i magnetfältet. Principen bakom bandhögtalaren gör den lämplig för montering i öppen baffel, men man hittar lika ofta bandelement i högtalaren för de höga registren i högtalarlådor med flera element. Ett stort problem med bandprincipen är emellertid att bandet måste vara långt för att belastningen inte skall kortsluta effektförstärkaren. På små diskantelement får man ofta tillgripa en transformatorkoppling för att omvandla det korta aluminiummembranets närmaste obefintliga motstånd till en mer förstärkar vänlig impedans. Ju lägre frekvenser man vill återge desto svårare blir det att hålla fast i principen. Man blir tvungen att placera ett akustiskt genomsläppligt magnetmönster bakom membranet varför principen börjar likna magnetostathögtalarens konstruktion. 7. Resonanslådan 7.1 Sluten konstruktion Om man vill tillverka en lösning som inte blir skrymmande kan man helt isolera elementets baksida genom att montera det i en sluten låda (fig. 3a). Principen används ofta i små högtalare, som kan fås att återge en häpnadsväckande lågbas. Till nackdelarna hör att elementet blir trögdriven, mer effekt går åt, eftersom man inte utnyttjar elementets båda ljudtrycksriktnigar. 7.2 Basreflex konstruktion Alternativet blir att utnyttja en del av lådans inre ljudtryck genom en röröppning in i lådan (fig. 3b). Luftmassan i röret fungerar därmed som ett membran men i fas med högtalarkonens framsida. Rörets längd kan stämmas av för att utvidga och förstärka högtalarens lågfrekvensåtergivning. Denna s.k. basreflexprincip är den allra vanligaste lösningen för såväl små Fig. 3a, Sluten konstruktion. Fig. 3b, basreflex konstruktion.

som stora högtalarsystem. Principen ger en någorlunda lättdriven högtalare som man kan alstra låga toner men kräver noggrann optimering för att inte få en konstigt ljudande bas. 7.3 Ljudlednings konstruktion Ännu en resonanslådeprincip är den s.k. ljudlednings högtalaren eller "transmissionline" högtalaren (fig. 3c). Här utnyttjar man mer av elementets bakåtenergi genom att koppla en pipa eller akustisk labyrint till elementets baksida inne i lådan. Gången mynnar ut på lådans front, och beroende av sin längd kan den återge frekvenser i eller ur fas med elementets framsida. En 1/2-vågs pipa ger en förstärkning, i fas med elementet och med högre känslighet än hos basreflexprincipen. Konstruktionen med det veckade röret gör lådan komplicerad och arbetskrävande att bygga. Högtalarna börjar också bli allt ovanligare. Till fördelarna förutom effektivitetsökningen bidrar det veckade röret till att lådkonstruktionen blir stabilare. Fig. 3c, ljudlednings konstruktion. Alla de nämnda systemen påverkas emellertid i olika utsträckning av sin låda. Försök har därför gjorts med lådlösa baffelkonstuktioner för att minimera lådans ofta förödande klangpåverkan. De olika resonanslåde principerna kopplar emellertid inte särskilt stor luftvolym till elementets framsida. Ur akustiskt hänseende kan de därför betraktas som förhållandevis ineffektiva. 7.4 Horn konstruktion Hornprincipen upptäcktes i mitten av 1700- talet men "återupptäcktes" för att lösa den akustiska förstärkningen hos trattgramofonen. Principen visade sig senare också användbar för att bättre kunna utnyttja dåtidens effektsvaga rörförstärkare. Hornet har nu återigen kommit till heders sedan många börjat inse att effektstyrka inte är liktydigt med välljud, snarare det motsatta. Hornets fördel är att bl.a. att det kan koppla en avsevärd luftvolym till en liten kon area. Därmed behöver inte konen pumpa så mycket luft som i en normal konstruktion. Hornet riktar dessutom ljudet på ett akustiskt effektivare sätt. Valet av horngeometri beror av om man eftersträvar hög känslighet, låg distorsion, stor bandbredd eller en kombination av dessa. De kan vara koniska, paraboliska eller exponentiella (fig. 4). Hornets mynningsarea står dessutom i proportion till den lägsta gränsfrekvens man vill kunna återge. Ett välbyggt horn är överlägset det mesta i dynamikförmåga och effektivitet, men vill man få hornverkan i de lägsta registren blir också denna princip omöjligt stor. Konisk horn geometri Parabolisk horngeometri Exponentiell horngeometri Fig. 4, olika horn geometri.

8. Delningsfiltret En annan viktig del i det kompletta högtalarsystemet är delningsfiltret. Delningsfiltret har till uppgift att fördela musiksignalens olika frekvenser till respektive element. Det kan vara passivt, dvs. placeras efter effektförstärkaren och ingå som en beståndsdel i själva högtalarsystemet. Det kan också vara aktivt och placeras före effektförstärkaren. Den sista lösningen, aktivt filter (fig. 5), innebär att varje uppdelat tonregister får sin egen särskilt frekvensanpassade förstäkardel. Förstärkarna blir fler men istället behöver de inte vara lika effektstarka då de direktkopplas till varje enskilt element. F U1 U2 Aktivt filter Fig. 5, schema över ett enkelt aktivt filter. Med ett passivt filter (fig. 6) måste den förstärkta signalen passera en mängd frekvensuppdelande komponenter innan den når ut till elementet. Vare sig filtret är aktivt eller passivt så måste det skära av (dämpa) ett specifikt frekvensintervall med en viss branthet. Ju större branthet desto skarpare definieras intervallet. Brantheten kan utnyttjas så att varje element får arbeta inom ett mycket väldefinierat frekvensregister. Detta gör att elementen inte behöver arbeta utanför sina specifika frekvensramar, varför olika element lättare kan passas samman med varandra. L U1 R U2 Fig. 6, schema över ett enkelt passivt filter. Passivt filter 9. Aktiva högtalare Den aktiva högtalaren är egentligen ingen elementprincip, utan snarare en naturlig följd av det aktiva filtret. Idén går ut på att låta effektförstärkaren bli en integrerad del av själva högtalaren. Har man ett flervägssystem får varje högtalarlåda en förstärkarenhet för respektive register. Insignalen tar man direkt från linjenivån på ett försteg. Principen kan anpassas till alla de uppräknade högtalarvarianterna. Man kan dessutom frekvenskompensera elementen och korrigera dem så att de blir helt linjära och exempelvis får betydligt större basomfång än motsvarande passiv konstruktion. Aktiva högtalare blir allt vanligare och har fått en stor draghjälp av marknadens ökade efterfrågan på små högtalare. Men man knappast påstå att högtalartillverkningen uppvisar någon entydig trend. Snarare sker utvecklingen på bred front där samtliga konstruktionsprinciper ingår. Det rör sig om nya material för såväl filter som lådor, utvecklingen av kraftigare magneter, allt mer avancerade filter, kompensationslänkar för impedans korrigering, hybridhögtalare, till och med nya hornlösningar.