Högtalare och riktat ljud

Högtalare och riktat ljud Jonas Lagergren! 1

Innehållsförteckning Ordlista! 3 Syfte och mål! 4 Inledning! 4 Högtalare! 5 Elektromagnetiska högtalare! 5 Piezoelektriska högtalare! 6 Varför riktade högtalare?! 6 Olika typer av riktade högtalare! 7 Högtalar-arrayer! 7 Parabol-högtalare! 8 Ultraljudshögtalare! 8 Källor! 10 Internetkällor! 10 Litteratur och tidsskrifter! 10 Jonas Lagergren! 2

Ordlista Nedan följer en lista över ord som används. Notera att ordens beskrivningen av ordens betydelse gäller för arbetets sammanhang. Betydelsen kan vara annorlunda i andra sammanhang. Array Brännpunkt Diskant Elektromagnet Frekvens Frekvensomfång Kompositmaterial Hertz Hi-Fi Parabolisk Permanentmagnet Polymer Spole Uppradning av flera enheter. Den punkt där en lins eller parabolisk reflektor fokuserar. Övre delen av den mänskliga röstens frekvensomfång. Även benämning på högtalare som är anpassad för att återge högre frekvenser, vanligen över ca 3kHz. Magnet som ger ett magnetfält när elektrisitet passerar genom den. Antal svängningar per tidsenhet. Det intervall av frekvenser en högtalare kan återge. Material bestående av flera meterial för att uppnå goda materialegenskaper Enhet för frekvens, anger sängningar per sekund. Förkortning för High Fidelity. Benämning för utrustnings som återger högkvalitativt ljud. Konkav reflektor som används för att fokusera vågformer till en punkt. Magnet som ger ett konstant magnetfält. Samlingsnamn för material som består av långa ihopkopplade molekyler (merer) Lindad metalltråd. Används i sammanhanget för att skapa magnetfält (elektromagnet) Jonas Lagergren! 3

Syfte och mål I kursen KPP039, Produktutveckling, ingick ett projektarbete. Projektet var en fortsättning på den tidigare kursen i produktutveckling, där vi skulle hjälpa Herbert Lewin med produktutveckling av hans säng. Sängen skulle med hjälp av ljudvågor stimulera vissa delar av hjärnan för att underlätta insomning och bibehållandet av sömn. I fortsättningskursen skulle ett koncept realiseras i form av en prototyp. Konceptet som uppdragsgivaren överlämnade använde sig av högtalare inbyggda i madrassen för att skapa ljudvågor och vibrationer som ska vara stimulerande för inducering av sömn. De fyra grupperna som arbetade med projektet tilldelades deluppgifter för den prototypen. Gruppen jag tillhörde skulle ansvara för ljudsystemet. Ljudsystemet omfattade ett mediacenter som skall användas för att skicka och anpassa de inbäddade frekvenserna efter den sömnfas användaren befinner sig i. Eftersom ljud kan störa personer som eventuellt kan komma att befinna sig i närheten skulle grupperna även jobba med att försöka begränsa spridningen av ljud till omgivningen. En lösning för detta kan vara att använda sig av riktade högtalare. Jag har därför valt att fördjupa mig i högtalare och hur man kan skapa riktat ljud. Inledning Ljudvågor är tryckförändringar i ett medium, detta kan vara tex vatten, metall eller vad vi kanske mest tänker på i sammanhanget, luften som omger oss. I slutändan handlar det om att energin i dessa tryckförändringar ska sätta våra trummhinnor i rörelse för att vi ska uppleva det som hörbart ljud. Människan kan uppfatta frekvenser mellan 20Hz och 20kHz. Ljud är alltså definerat av den organism som skall uppfatta det, i detta fall människan. Detta är ett ungefärligt intervall, högre frekvenser blir svårare att uppfatta med åldern. Ljudvågor som översiger detta intervall kallas för ultraljud. Problemet med konventionella metoder för att skapa ljud är att spridningsvinkeln är relativt stor och dessa kan då inte användas i miljöer där ljud kan vara störande för omginvingen. Med riktat ljud menar man då en typ av utrustning för att skapa ljud som inte sprider sig lika mycket som vanliga högtalarkonstruktioner gör. Det finns ett flertal lösningar för detta. Jonas Lagergren! 4

Högtalare Det finns flera metoder för att skapa ljud från en elektrisk ljudsignal. Nedan följer beskrivning av metoder som är relevanta vid skapandet av riktade högtalarsystem. Elektromagnetiska högtalare De första högtalarna skapades i samband med att det första telefonerna började ta form. Dessa använde sig av elektromagnetism för att skapa de nödvändiga tryckförändringarna. Alexander Graham Bell som räknas som en av telefonens upphovsmän lämnade 1876 in ett patent som beskriver hans telefon. Denna består av en mikrofon och en högtalare som arbetar efter samma princip. Högtalaren har en spole som omvandlar den elektriska signalen till ett elektromagnetiskt fält. Fältet påverkar sedan via en metallstav membranet som sitter monterat framför. Membranet sätts då i gungning vilket resulterar i de tryckförändringar som eftersträvas. t.v. Här ser man principen för den elektromagnetiska högtalaren med konen, spolen och magneten. t. h Alexander Graham Bells skiss över en elektromagnetisk högtalare tagen från patentansökan till hans telefon. Moderna högtalare som vi är vana att se i ljudanläggningar, radio och tv- apparater vi omger oss med, fungerar efter samma princip. Numera är dock uppbyggnaden något annorlunda. Moderna dynamiska högtalare har fortfarande ett membran. I större högtalare är dessa anpassade för de högre ljudtryck som skapas och är då tillverkade i exempelvis papp, plast eller till och med kompositmaterial. På membranets baksida sitter en spole fastmonterad. När elektriska signaler passerar genom spolen skapas här som i Bells högtalare ett elektromagnetiskt fält. Skillnaden är här att det är spolen röm rör sig. Genom en permanentmagnet som omsluter spolen hamnar megnetfälten från spolen och permanentmagneten i motfas och rörelse uppstår. Rörelsen driver membranet, eller konen som det kallas, vilket resulterar i hörbart ljud. Jonas Lagergren! 5

Piezoelektriska högtalare Denna typ av högtalare fungerar efter den piezoelektriska principen. Grunden för detta är sambandet mellan elektricitet och mekaniskt tryck i ett material. Materialen som används ofta kristaller eller keramiska material, men det finns även plaster och andra typer av material som har dessa egenskaper används. När materialet utsätts för tryck uppstår en elektrisk spänning i materialet. Detta kan vara användbart i för att mäta tryck eller andra rörelser. Principen fungerar omvänt dvs. om materialet utsätts för en elektrisk spänning uppstår mekaniska spänningar i materialet. Detta kan då användas för att skapa rörelser i form av ljud. Dock är rörelserna starkt begränsade av materialets förmåga att skapa rörelser vilket gör det svårt att återge lägre frekvenser med denna typ av högtalare. Ovan. En enkel piezoelektrisk högtalare. Här ser man de olika lagren som högtalaren består av. Den enklaste formen av piezoelektriska högtalare består av en film av piezoelektriskt material monterad mellan två metallmembran som fungerar som plus och minuspol för högtalaren. Filmen består vanligen av en polymer. När sedan en elektrisk ljudsignal kopplas på membranen som separeras av polymerfilmen reagerar den i takt med signalen och ljudvågor uppstår. En sida på det piezoelektrisk elementet är fast monterat för att vibrationerna skall kunna fortplanta sig till membranet. Denna typ av högtalare är väldigt billig och enkel att tillverka, menn pga. begränsningarna i frekvensomfånget, som nämdes tidigare, är användningsområdet begränsat. Högtalaren används därför oftast i applikationer där omfånget inte är så viktigt, tex enklare väckarklockor, armbandsur och summrar. Principen kan vändas och samma element kan användas som en billig lösning för att registrera anslag i tex. elektrisk musikutrustning. De piezoelektriska högtalarnas användningsommråde blir större ju högre frekvenser är som skall återskapas. Därför använs dessa högtalare med fördel som diskant i hi-fi applikationer. En stor fördel med dessa högtalare i sammanhanget är att det piezoelektrisk elementet är okänsligt för överbelastning till skillnad från de elektrimagnetiska spolarna annars används. Om man går högre i frekvens, bortom det mänskliga örats spektra finns ytterligare applikationer. Piezoelektriska element är idealiska för att sända och ta registrera dessa frekvenser, även kallade ultraljud. Varför riktade högtalare? Det finns många tänkbara användningsområden för riktade högtalare. Det man främst tänker på är i miljöer där man inte vill störa omgivningen eller där man vill kunna projicera ljudet mot ett specifikt mål. En vanlig miljö där riktade högtalare används är museer och utställningar där ljudmiljön har en tendens att förstöras om olika ljudkällor verkar samtidigt. Med en riktade högtalare kan du få information om det du står framför utan att ljudmiljön i övriga delar av lokalen påverkas. Amerikanska kustbevakningen använder sig av superriktade högtalare i form av ljudkanoner. Dessa kanoner kan projicera ljudet på ett specifikt mål över relativt stora avstånd. Det kan vara användbart för att exempelvis kontakta en båt som inte svarar på radioanrop. Fördelen här ar att men koncentrerar energin i form av ljud dit den behövs vilket leder till högre effektivitet. Under andra världskriget exprimenterade tyskarna med att rikta ljudvågor som ett slags luftvärnsvapen. Jonas Lagergren! 6

Olika typer av riktade högtalare En högtalares spridning är relativ till dess storlek och man kan därför säga att ett större högtalarelement har en större riktningsverkan än en mindre, eller rättare sagt elementets storlek i relation till den frekvens som spelas, eftersom en högre frekvens är i regel mer riktad än en lägre. För att producera riktat ljud finns ett antal tekniker. Högtalar-arrayer Som nämnt tidigare har högtalarelementets storlek betydelse för riktningsverkan. Med flera mindre högtalare uppradade i sk. arrayer kan man efterlikna ett större elements egenskaper. Denna metod t. v. Högtalare i Yamahas YSP- serie. Med fronten borttagen exponeras här högtalararrayerna som möjliggör att ljudet kan riktas. Värt att noteras är de större högtalarna. Dessa behöver inte riktas eftersom lägre frekvenser är svårare att lägesbestämma. t. h.. Typisk högtalararray för konsertbruk. följer Huygens-Fresnel principen. Principen är uppkallad efter fysikerna Christiaan Huygens och Augustin-Jean Fresnel. Förenklat säger principen att vågspridningen ur flera mindre öppningar kommer att se ut på samma sätt som hos en enda lika stor. Detta har länge utnyttjats länge för att skapa lätta optiska linser, sk fresnel-linser. I akustiska sammanhang är principen också väl använd. I stora ljudanläggningar för konsert- och arenabruk använder man stora arrayer av högtalare för att kunna rikta ljudet till publiken. Med hjälp av avancerad digital signalbearbetning kan man numera kan ljustera de individuella högtalarnas fördröjning för att kunna styra riktningen ytterligare. Det japanska företaget Yamaha har sedan några år tillbaka kunnat erbjuda denna teknik till kosumenter. Deras ljudsystem i YSPserien består av en enda högtalar array där ljudet kan projeceras mot väggarna för att kunna simulera användandet av ett flerkanaligt hemmabiosystem. Fördelar Billigt Nackdelar Begränsad riktningsverkan Jonas Lagergren! 7

Parabol-högtalare Principen för denna typ av högtalare är att fokusera ljudvågorna genom att använda paraboliska former, antingen via en parabolisk reflektor eller med an parabolisk ljudkälla. Vid användande av en parabolisk lins placeras ljudkällan i reflektorns brännpunkt. Detta resulteras att ljudet sprids i en jämn kolumn där reflektorns bredd avgör pelarens bredd. Reflektorns bredd avgör också den lägsta frekvens som kan riktas. Som tumregel skall reflektorn vara dubbelt så stor som den lägsta frekvensen man vill kunna rikta. Detta medför att parabolens storlek och därmed kolumnens bredd tenderar att bli stora om lägre frekvenser ska återges. Som exempel skulle en parabol anpassad för en lägsta frekvens på 20Hz kräva en diameter på 17m. En annan nackdel med denna lösning är att spridningen för högre frekvenser därmed kommer att bli mindre vilket i sin tur resulterar i en ojämn återgivning av frekvensomfånget. Om frekvensomfånget begränsas till exempelvis det intervall den mänskliga rösten liggen, 1kHz - 4kHz, kan storleken reduceras. Högtalararrayer kan även ordnas i parabolisk maner för att kunna fokusera ljudpelaren ytterligare. t. v. Principskiss för hur en den paraboliska reflektorn fungerar, de blå bilarna representerar ljudvågor. t h. Parabolhögtalare tillverkad av Soundtube. Reflektorn har en diameter på 30 tum, ca 76 cm och har ett frekvensomfång på 143 Hz - 21,5 khz. Fördelar Relativt billig lösning Nackdelar Svår att tillverka för återgivning av lägre frekvenser Reflektorn tenderar att bli stor Ojämn frekvensåtergivning Ultraljudshögtalare Som tidigare nämnts har en högre frekvens mer riktat ljud än en lägre. Denna typ av högtalare utnyttjar detta då denna typ av högtalare använder sig av ultraljud för att projicera ljudet. Ultraljud kallas det frekvenser av ljud som är högre än vad det mänskliga örat kan uppfatta, denna gräns ligger kring 20kHz. I dessa sammanhang används främst piezoelektriska högtalare på grund av deras goda egenskaper vid höga frekvenser. Riktade högtalare baserade på ultraljud använder använder sig av två ultraljudsfrekvenser för att skapa ljudet, en fast frekvens och en frekvens som varierar. När frekvenserna spelas tillsammans Jonas Lagergren! 8

kommer de att pulsera i och ur fas med den frekvens som är inbäddad i den modulerade signalen. När användaren befinner sig i dessa ultraljudsfrekvenser uppfattas hörbart ljud. Högtalarna som används är som sagt piezoelektriska ultraljudselement. För att skapa en bredare ljudpelare brukar flera element användas i en array. Förutom högtalare som skickar ut ljudet måste elektronisk utrustning för att modulera signalen från ljudkällan användas. Denna byggs med fördel in i högtalarenheten. Kombinationen av avancerad elektronik och användadet av arrayer gör att dessa högtalare har ett högt pris. t. v. Högtalare från Sennheiser som använder sig av ultraljud. Man ser tydligt uppställningen av de flertalet element som används för att skapa en array, t. h. Bilden visar principen för hur en frekvens (modulating wave) moduleras i en bärfrekvens (Carrier) genom frekvensmodulering. En fundamental skillnad med denna lösning i jämförelse med tidigare redovisade lösningar är att det hörbara ljudet inte uppstår förrän ljudpelaren träffar användaren. Eftersom det saknas långtidsstudier över hur ultraljud påverkar hälsan har tillverkaren Sennhaeiser i deras riktade högtalare implementerat en avståndssensor och högtalaren slås av som användaren befinner sig närmare än 3 meter från högtalaren. Fördelar Lång räckvidd Endas hörbar för användaren Nackdelar Dyr Svårt att återskapa stereoljud Eventuell hälorisk Jonas Lagergren! 9

Källor Internetkällor Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/sound http://en.wikipedia.org/wiki/parabolic_loudspeaker http://en.wikipedia.org/wiki/directional_sound http://en.wikipedia.org/wiki/sound_from_ultrasound http://en.wikipedia.org/wiki/loudspeaker http://en.wikipedia.org/wiki/piezoelectricity Produktinformation http://reflectionsav.com.au/view/products/fp6030?cid=0 http://usa.yamaha.com/products/audio-visual/digital-sound-projector/ http://www.sennheiser.com/sennheiser/home_en.nsf/root/09859_conference_soundstation http://lexter.se/svenska/riktat-ljud/ https://www.elfa.se/ Litteratur och tidsskrifter Sound System Engineering, second edition Davies Don Audio Explained Talboth-Smith, Michael Comsol News 2010 s 42-43 Jonas Lagergren! 10