Jak działają głośniki?

Pomimo znacznego postępu zarówno w projektowaniu, jak i produkcji głośników, podstawy technologii przetworników głośnikowych nie zmieniły się od blisko 100 lat: Dynamiczny przetwornik Edwarda Kellogga i Chestera Rice’a z 1925 roku nadal stanowi podstawę praktycznie każdego głośnika dostępnego obecnie na rynku, od tego w Twoim telefonie po te w systemie kina domowego.

Ale jak działają głośniki? Zacznijmy od podstaw.

Uwaga redaktora: ten artykuł został zaktualizowany 12 marca 2021 r., aby zawierał więcej informacji technicznych.

Jak działają głośniki: podstawy

Membrana głośnika jest surowym komponentem elektroakustycznym, który sprawia, że głośnik działa. Jako przetwornik, jego funkcją jest przekształcanie energii z jednej formy w inną. W szczególności przetwornik ten przekształca wzmocnione fale elektryczne z urządzenia odtwarzającego, czy to telefonu, czy wkładki gramofonowej, w fale ciśnienia akustycznego w powietrzu, które mogą być wykryte przez uszy.

Wikipedia
Membrana głośnika: prosty, ale genialny silnik elektromagnetyczny

Wzmacniacz doprowadza sygnał do dwóch zacisków z tyłu głośnika. Zaciski te przekazują prąd do cylindrycznej cewki z drutu, która jest zawieszona w okrągłej szczelinie pomiędzy biegunami magnesu stałego. Cewka ta porusza się tam i z powrotem wewnątrz pola magnetycznego, ponieważ przepływający przez nią prąd zmienia kierunek zgodnie z podawanym sygnałem, zgodnie z prawem Faradaya. Środek stożka głośnika jest przymocowany do jednego końca, który jest napędzany tam i z powrotem przez poruszającą się cewkę. Stożek ten jest przytrzymywany na krawędziach przez hermetyczne zawieszenie lub otoczkę. Gdy stożek się porusza, popycha i ciągnie otaczające go powietrze; w ten sposób tworzy fale ciśnienia w powietrzu, zwane dźwiękiem.

Więc tak działa membrana głośnika, ale dlaczego zawsze wydaje się, że są one montowane w skrzynkach? Jeśli przetwornik sam wytwarza dźwięk, to po co jest ta skrzynka? A co z otworami wentylacyjnymi i innymi elementami?

Dlaczego głośniki są umieszczane w skrzyniach?

Jak membrana głośnika porusza się, wytwarza falę ciśnienia zarówno z przodu jak i z tyłu. Gdy porusza się w kierunku użytkownika, wypychając powietrze i tworząc dodatnie ciśnienie, jednocześnie ściąga powietrze za sobą, tworząc ujemne ciśnienie. Jeśli długość fali, która odpowiada częstotliwości odtwarzanego sygnału jest duża w stosunku do wielkości przetwornika, ciśnienie generowane przez obie strony przetwornika skutecznie się zniweluje. Tak więc w każdej użytecznej odległości, niskie częstotliwości (bas) stają się niesłyszalne. Jeśli chcecie spróbować tego w domu, wyjmijcie przetwornik z jego obudowy. Zauważysz „blaszaną” jakość dźwięku w porównaniu z tym, jak głośnik brzmiał po zmontowaniu.

Aby głośnik działał dobrze na wszystkich częstotliwościach, musimy zapobiec temu, aby fala ciśnienia wytworzona przez tylną część membrany głośnika zniwelowała falę wytworzoną przez przednią część membrany. Gdybyśmy zamontowali głośnik w dużym, sztywnym arkuszu materiału (baffle), moglibyśmy osiągnąć ten sam efekt. Przegroda musi być duża, aby zapobiec anulowaniu niskich częstotliwości, więc jest to niepraktyczne w większości zastosowań. Pudełka zamknięte pozwalają osiągnąć to w bardziej praktyczny sposób.

Połączenie właściwości mechanicznych przetwornika i rozmiaru pudełka definiuje zachowanie niskich częstotliwości zmontowanego systemu głośnikowego w pudełku zamkniętym. Nie wdając się w szczegóły techniczne, powietrze w skrzyni działa jak sprężyna, którą membrana popycha i ciągnie, a system ten ma częstotliwość rezonansową, poniżej której jego moc wyjściowa znacznie spada.

Głośniki muszą być szczelne: nieszczelności w skrzyni pozwalają na zniekształcenia, których chcemy uniknąć.

Dlaczego niektóre głośniki mają dziury?

Można zauważyć, że wiele skrzynek głośnikowych ma okrągłe otwory, lub czasami szczeliny, zazwyczaj z przodu lub z tyłu. To co widzisz to porty, lub otwory wentylacyjne, i to identyfikuje to, co jest znane jako obudowa bass reflex.

Obudowa bass reflex działa zasadniczo w ten sam sposób jak wtedy, gdy dmuchasz powietrzem na otwartą butelkę piwa i rozbrzmiewa nuta. Nuta zmienia się wraz z ilością płynu w butelce, ponieważ zmienia się objętość powietrza wewnątrz butelki. Gdybyś był w stanie rozciągnąć szklaną szyjkę butelki, to również zmieniłoby nutę. Jest to system rezonansowy, który może być dostrajany poprzez regulację wymiarów portu (szyjki butelki) lub objętości obudowy (butelki).

Jeżeli jest dostrojony prawidłowo, tworzy rezonans tuż poniżej punktu, w którym odpowiedź głośnika normalnie by się zwijała, skutecznie rozszerzając wydajność basową systemu. Aby funkcja ta działała prawidłowo, strojenie portu jest obliczane dla konkretnego przetwornika w konkretnej obudowie. Jeśli wymienisz przetwornik na inny typ, nawet jeśli jest to ta sama średnica membrany, skrzynia i strojenie portu nie będzie już odpowiednie i nie będzie brzmiało prawidłowo.

Głośniki wykorzystujące pasywne radiatory działają na tej samej podstawowej zasadzie, ale z obciążoną masą, niezasilaną membraną głośnika tworzącą rezonans basu z zamkniętą objętością powietrza.

Głośniki wysokotonowe i niskotonowe

Teraz, być może zauważyłeś, że w większości głośników, szczególnie gdy stają się one większe niż małe przenośne boomboxy, możesz zobaczyć więcej niż jedną membranę głośnika – zazwyczaj o mniejszej średnicy na szczycie większej.

Jest kilka powodów, dla których głośniki używają wielu membran w różnych rozmiarach. Chociaż prawdą jest, że pojedynczy przetwornik może pokryć prawie całe słyszalne spektrum, istnieje szereg ograniczeń, z którymi musi się zmierzyć. Jeśli przetwornik jest mały, nie może poruszyć dużej ilości powietrza i będzie miał trudności z wygenerowaniem basu na użytecznym poziomie.

Dowiedz się więcej: Rodzaje sterowników wyjaśnione

Większe sterowniki mogą poruszać więcej powietrza, ale problem polega na tym, że głośniki stają się bardziej kierunkowe, gdy częstotliwości, które odtwarzają, idą w górę. Jest to znane jako promieniowanie.

Wraz ze wzrostem częstotliwości zmniejsza się związana z nią długość fali; głośniki zwykle zaczynają promieniować przy częstotliwości o długości fali równej średnicy membrany promieniującej. Oznacza to, że będziesz słyszał wyższe częstotliwości tylko wtedy, gdy będziesz znajdował się dokładnie w osi z głośnikiem. Nie tworzy to zrównoważonego dźwięku ani dobrego głośnika. Prostym rozwiązaniem jest zastosowanie różnych rozmiarów przetworników, z których każdy jest dostosowany do odtwarzania określonego zakresu częstotliwości – różnych części słyszalnego spektrum (basy i wysokie tony lub basy, środek, wysokie tony).

Ta koncepcja działa w połączeniu z siecią podziału częstotliwości w obudowie głośnika zwaną zwrotnicą. Zwrotnica przekazuje odpowiedni zakres częstotliwości do każdego typu głośnika: głośniki wysokotonowe do tonów wysokich, a głośniki niskotonowe do tonów niskich.

Dlaczego warto wiedzieć, jak działają głośniki

Nie musisz znać nauki stojącej za głośnikami, aby móc ich słuchać i cieszyć się nimi. Ale jeśli zamierzasz wydać poważną sumę na sprzęt audio, zawsze warto najpierw wyposażyć się w pewną wiedzę. Trochę podstawowej wiedzy pomoże wam zrozumieć dlaczego pewne decyzje projektowe zostały podjęte, jak wpływają one na dźwięk i pomoże wam zidentyfikować sprzedawców oliwy z oliwek.

.